Магнитосфера Земли: защита нашей планеты от вредной космической энергии

НАСА, вчера опубликовало большую статью о магнитосфере Земли, о изменениях в ней происходящих, о влиянии на нее солнечных вспышек, о миграции полюсов и о возможной смене полюсов нашей планеты. Представляем Вам перевод этой интересной статьи:

Среди четырех каменных планет нашей Солнечной системы можно сказать, что "магнитная" индивидуальность Земли является предметом зависти ее межпланетных соседей.

Когда потоки солнечного вещества попадают в магнитосферу Земли, они могут оказаться в ловушке и удерживаться в двух пончикообразных поясах вокруг планеты, называемых поясами Ван Аллена. Эти пояса заставляют частицы перемещаться вдоль линий магнитного поля Земли, постоянно отскакивая от полюса к полюсу. Это видео иллюстрирует изменения формы и интенсивности поперечного сечения пояса Ван Аллена. 

В отличие от Меркурия, Венеры и Марса, Земля окружена огромным магнитным полем, называемым магнитосферой. Созданная мощными динамическими силами в центре нашего мира, наша магнитосфера защищает нас от разрушения атмосферы солнечным ветром (заряженные частицы, которые Солнце постоянно извергает на нас), воздействия радиации и частиц от корональных выбросов массы (массивные облака энергичной и намагниченной солнечной плазмы и радиации) и космических лучей из глубокого космоса. Наша магнитосфера играет роль защитника, отталкивая эту нежелательную энергию, вредную для жизни на Земле, задерживая большую ее часть на безопасном расстоянии от поверхности Земли в двух зонах в форме пончика, называемых поясами Ван Аллена.

Но магнитосфера Земли не является идеальной защитой. Колебания солнечного ветра могут нарушать ее, что приводит к "космической погоде" - геомагнитным бурям, которые могут проникать в нашу атмосферу, угрожая космическим кораблям и астронавтам, нарушая работу навигационных систем и сея хаос в энергосетях. 

Солнечный ветер создает временные трещины в щите, позволяя некоторому количеству энергии ежедневно проникать на поверхность Земли. Однако, поскольку эти вторжения кратковременны, они не вызывают серьезных проблем и сопровождаются красивыми вспышками полярных сияний (аврор)..

Поскольку силы, генерирующие магнитное поле Земли, постоянно меняются, само поле также находится в постоянном движении, его сила со временем увеличивается и уменьшается. В результате расположение северного и южного магнитных полюсов Земли постепенно меняется, а примерно каждые 300 000 лет - полностью. 

Запущенная в ноябре 2013 года Европейским космическим агентством (ЕКА) группировка из трех спутников Swarm позволяет получить новые сведения о работе глобального магнитного поля Земли. Создаваемое движением расплавленного железа в ядре Земли, магнитное поле защищает нашу планету от космической радиации и заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Оно также обеспечивает основу для навигации с помощью компаса.

На верхнем изображении, основанном на данных Swarm, показана средняя сила магнитного поля Земли у поверхности (измеряется в нанотеслах) в период с 1 января по 30 июня 2014 года. На втором изображении показаны изменения этого поля за тот же период. Хотя цвета на втором изображении такие же яркие, как и на первом, обратите внимание, что наибольшие изменения составили плюс-минус 100 нанотесла при поле, достигающем 60 000 нанотесла.

Чтобы понять, какие силы управляют магнитным полем Земли, нужно сначала разделить четыре основных слоя земной "луковицы" (твердой Земли):

- Земная кора, где мы живем, глубина которой составляет в среднем 19 миль (31 км) на суше и около 3 миль (5 км) на дне океана.
- Мантия - горячая, вязкая смесь расплавленных пород толщиной около 1 800 миль (2 900 километров).
- Внешнее ядро толщиной около 1 400 миль (2 250 километров), состоящее из расплавленного железа и никеля.
- Внутреннее ядро - твердая сфера толщиной около 759 миль (1221 километр), состоящая из железа и никеля, примерно такая же горячая, как поверхность Солнца.

Внутренняя структура Земли: плотное твердое металлическое ядро, вязкое металлическое внешнее ядро, мантия и кора на основе силикатов. 

Почти все геомагнитное поле Земли возникает в жидком внешнем ядре. Подобно кипящей воде на плите, конвективные силы (которые переносят тепло из одного места в другое, обычно через воздух или воду) постоянно взбалтывают расплавленные металлы, которые также закручиваются в водоворотах, вызванных вращением Земли. Когда эта бурлящая масса металла перемещается, она генерирует электрические токи шириной в сотни миль и скоростью тысячи миль в час, поскольку Земля вращается. Этот механизм, который отвечает за поддержание магнитного поля Земли, известен как геодинамо.

Иллюстрация механизма динамо, создающего магнитное поле Земли: конвекционные токи жидкого металла во внешнем ядре Земли, движимые тепловым потоком из внутреннего ядра, организованные в валики силой Кориолиса, создают циркулирующие электрические токи, которые генерируют магнитное поле. 

Изучение прошлого магнетизма Земли называется палеомагнетизмом. Прямые наблюдения магнитного поля охватывают всего несколько столетий, поэтому ученые полагаются на косвенные свидетельства. Магнитные минералы в древних ненарушенных вулканических и осадочных породах, озерных и морских отложениях, лавовых потоках и археологических артефактах могут показать силу и направление магнитного поля, время смены магнитных полюсов и многое другое. Изучая глобальные свидетельства и данные со спутников и геомагнитных обсерваторий и анализируя эволюцию магнитного поля с помощью компьютерных моделей, ученые могут построить историю изменения поля в течение геологического времени.

Простая визуализация магнитосферы Земли в момент равноденствия. 

Земля окружена системой магнитных полей, называемой магнитосферой. Магнитосфера защищает нашу планету от вредного солнечного излучения и излучения космических частиц, но она может менять форму в ответ на входящую космическую погоду от Солнца. 

Срединно-океанические хребты Земли, где формируются тектонические плиты, дают палеомагнитологам данные за 160 миллионов лет. Когда лава постоянно извергается из хребтов, она растекается и остывает, а содержащиеся в ней богатые железом минералы выравниваются с геомагнитным полем, указывая на север. Когда лава остывает примерно до 1 300 градусов по Фаренгейту (700 градусов по Цельсию), сила и направление магнитного поля на тот момент "замораживаются" в породе. Путем отбора образцов и радиометрического датирования породы можно выявить эту запись магнитного поля.

Изучение магнитного поля Земли позволило раскрыть большую часть ее истории.

Например, мы знаем, что за последние 200 лет магнитное поле ослабло примерно на 9 процентов в среднем по миру. Однако палеомагнитные исследования показывают, что на самом деле поле является самым сильным за последние 100 000 лет и в два раза интенсивнее, чем в среднем за миллион лет.

Мы также знаем, что в магнитосфере есть хорошо известное "слабое место", которое существует круглый год. Расположенная над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана, Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА) - это область, где солнечный ветер проникает ближе к поверхности Земли. Она возникает под совместным влиянием геодинамо и наклона магнитной оси Земли. Хотя заряженные солнечные частицы и частицы космических лучей в пределах SAA могут поджарить электронику космических аппаратов, они не влияют на жизнь на поверхности Земли.

Магнитные полосы вокруг срединно-океанических хребтов показывают историю магнитного поля Земли за миллионы лет. Изучение прошлого земного магнетизма называется палеомагнетизмом. 

Мы знаем, что положение магнитных полюсов Земли постоянно меняется. С тех пор как в 1831 году офицер британского королевского флота и полярный исследователь сэр Джеймс Кларк Росс впервые точно определил его местоположение, положение северного магнитного полюса постепенно сместилось на северо-северо-запад более чем на 600 миль (1100 километров), а скорость его движения вперед увеличилась с примерно 10 миль (16 километров) в год до примерно 34 миль (55 километров) в год.

Магнитное поле Земли действует как защитный щит вокруг планеты, отталкивая и задерживая заряженные частицы от Солнца. Но над Южной Америкой и южной частью Атлантического океана необычно слабое место в поле - так называемая Южно-Атлантическая аномалия, или ЮАА - позволяет этим частицам опускаться ближе к поверхности, чем обычно. В настоящее время SAA не оказывает видимого влияния на повседневную жизнь на поверхности. Однако последние наблюдения и прогнозы показывают, что этот регион расширяется в западном направлении и продолжает ослабевать по интенсивности. Южноатлантическая аномалия также представляет интерес для ученых НАСА, которые следят за изменениями магнитной силы в этом регионе, как с точки зрения того, как эти изменения влияют на атмосферу Земли, так и в качестве индикатора того, что происходит с магнитными полями Земли в глубине земного шара. 

Магнитные полюса Земли - это не то же самое, что геодезические полюса, с которыми большинство людей знакомы лучше. Расположение геодезических полюсов Земли определяется осью вращения, вокруг которой вращается наша планета. Эта ось не вращается равномерно, как глобус на вашем столе. Вместо этого она слегка покачивается. Это приводит к тому, что положение истинного северного полюса со временем немного смещается. Многочисленные процессы на поверхности Земли и в ее недрах способствуют этому колебанию, но в основном оно связано с движением воды вокруг Земли. С начала наблюдений положение оси вращения Земли сместилось в сторону Северной Америки примерно на 37 футов (12 метров), но никогда не более чем на 7 дюймов (17 сантиметров) за год. Эти колебания не влияют на нашу повседневную жизнь, но их необходимо учитывать, чтобы получить точные результаты от глобальных навигационных спутниковых систем, спутников наблюдения за Землей и наземных обсерваторий. Колебания могут рассказать ученым о прошлых климатических условиях, но они являются следствием изменений в континентальных водохранилищах и ледяных щитах с течением времени, а не их причиной.

Наблюдаемые смещения северного полюса в период с 1831 по 2007 год - желтые квадраты. Моделируемое расположение полюсов с 1590 по 2020 год - круги, переходящие от синего к желтому.

Наблюдаемые полюса южного направления в период 1903-2000 годов - желтые квадраты. Моделируемое расположение полюсов с 1590 по 2020 год - круги, переходящие от синего к желтому. 

Самыми значительными изменениями, влияющими на магнитосферу Земли, являются смены полюсов. Во время переполюсовки северный и южный магнитные полюса Земли меняются местами. Хотя это может показаться большой проблемой, в геологической истории Земли смена полюсов - обычное явление. Палеомагнитные записи, включая записи о вариациях напряженности магнитного поля, говорят о том, что магнитные полюса Земли менялись местами 183 раза за последние 83 миллиона лет и по крайней мере несколько сотен раз за последние 160 миллионов лет. Временные интервалы между разворотами сильно колеблются, но в среднем составляют около 300 000 лет, а последний раз произошел около 780 000 лет назад. Ученые не знают, что определяет частоту смены полюсов, но это может быть связано с конвективными процессами в мантии Земли.

Положение северного магнитного полюса Земли. Показанные полюса - это полюса падения, определяемые как позиции, где направление магнитного поля вертикально. Красными кружками отмечены положения северного магнитного полюса, определенные прямыми наблюдениями; синими кружками отмечены положения, смоделированные с помощью модели GUFM (1590-1890) и модели IGRF-12 (1900-2020) с шагом в один год. Для 1890-1900 годов была выполнена плавная интерполяция между двумя моделями. Смоделированные местоположения после 2015 года являются прогнозами. 

Во время смены полюсов магнитное поле ослабевает, но не исчезает полностью. Магнитосфера вместе с атмосферой Земли продолжает защищать нашу планету от космических лучей и заряженных солнечных частиц, хотя на поверхность Земли может попадать небольшое количество твердых частиц. Магнитное поле становится беспорядочным, и на неожиданных широтах могут возникать многочисленные магнитные полюса.

Земля не всегда вращается вокруг оси, проходящей через ее полюса. Вместо этого она колеблется неравномерно во времени, дрейфуя в сторону Северной Америки на протяжении большей части 20-го века (зеленая стрелка). Это направление резко изменилось из-за изменения массы воды на Земле. 

Примерно до 2000 года ось вращения Земли дрейфовала в сторону Канады (зеленая стрелка, левый глобус). Ученые JPL рассчитали влияние изменений массы воды в различных регионах (центральный глобус) на направление дрейфа на восток и ускорение скорости (правый глобус). 

Связь между водной массой континентов и колебаниями оси вращения Земли в направлении восток-запад. Потери воды из Евразии соответствуют колебаниям на восток в общем направлении оси вращения (вверху), а евразийский прирост толкает ось вращения на запад (внизу). 

Никто точно не знает, когда может произойти следующий разворот полюсов, но ученые знают, что они не происходят в одночасье. Вместо этого они происходят в течение сотен и тысяч лет. У ученых нет оснований полагать, что переворот неизбежен.

Геомагнитная полярность за последние 169 миллионов лет, уходящая в зону покоя Юрского периода. Темные области обозначают периоды нормальной полярности, светлые области - обратной полярности.

Суперкомпьютерные модели магнитного поля Земли. Слева - нормальное диполярное магнитное поле, типичное для долгих лет между сменой полярности. Справа - сложное магнитное поле, которое возникает у Земли во время потрясений, связанных с изменением полярности. 

Наконец, существуют "геомагнитные экскурсы": более короткоживущие, но значительные изменения интенсивности магнитного поля, длящиеся от нескольких столетий до нескольких десятков тысяч лет. Экскурсии происходят примерно в 10 раз чаще, чем смена полюсов. 

Экскурсия может переориентировать магнитные полюса Земли на 45 градусов от их прежнего положения и уменьшить напряженность поля на 20 процентов. Экскурсии, как правило, носят региональный, а не глобальный характер. 

За последние 70 000 лет произошло три значительных экскурса: событие в Норвежско-Гренландском море около 64 500 лет назад, событие в Лашампе между 42 000 и 41 000 лет назад и событие в озере Моно около 34 500 лет назад.