Ликбез RnD.CNews: что мы знаем о магнитосфере Земли

Наша магнитосфера фактически играет роль охранника. Она защищает атмосферу планеты от плазмы солнечного ветра, эрозии и от космических лучей.

Большая часть опасного для Земли солнечного материала — заряженных частиц солнечного ветра, космических лучей — отклоняется магнитным полем и задерживается на безопасном расстоянии от поверхности в двойных кольцевых зонах, называемых радиационными поясами Ван Аллена.

Космическая погода

Солнечный ветер непостоянен, и его колебания все-таки способны нарушить магнитосферу во время сильных вспышек на Солнце. Это ведет к так называемым космическим штормам — геомагнитным бурям, которые могут угрожать космическим кораблям, нарушить работу электростанций, навигационных систем, электроники и нанести ущерб электросетям.

Кстати, именно это явление также вызывает эффектное полярное сияние на Земле. Чаще всего оно наблюдается в полярных регионах, так как там геомагнитное поле наиболее слабое. 

Геодинамо

Для общего понимания определим, что Земля состоит из четырех слоев: коры, мантии (вязкой и горячей смеси расплавленной породы), наружного ядра из расплавленного железа и камня и внутреннего ядра — твердой части из железа и никеля, по температуре схожей с поверхностью Солнца.

Механизм возникновения геомагнитного поля подобен кипению воде на плите: конвективные силы постоянно перемешивают во внешнем ядре расплавленные металлы, которые также движутся из-за вращения Земли.

Когда эта масса движется по кругу, она генерирует электрические токи шириной в сотни километров и текущие со скоростью тысячи километров в час. Этот механизм, отвечающий за генерирование и поддержание магнитного поля Земли, известен как геодинамо.

Как изучают прошлое магнитосферы

Область геофизики, изучающая земной магнетизм в прошлом, называется палеомагнетизмом. Ученые наблюдают за магнитосферой лишь несколько сотен лет, поэтому для изучения ее прошлого берутся за основу косвенные доказательства каких-либо событий.

Так, магнитные минералы в древних породах, окаменевшей лаве, морских отложениях, археологических артефактах помогают выявить силу и направленность магнитного поля в определенное время, уточнить периоды, когда менялась полярность магнитного поля, и многое другое. Историю эволюции магнитосферы ученые воссоздают, опираясь на такие доказательства в сочетании с данными со спутников и геомагнитных обсерваторий, а также анализируя информацию с помощью создания компьютерных моделей.

Например, срединно-океанические хребты, где образуются тектонические плиты, предоставили ученым-палеомагнетистам данные за 160 млн лет. Когда лава извергалась из хребтов и затем растекалась, богатые железом минералы в ее составе выравнивались в соответствии с геомагнитным полем по направлению к северу. Когда лава застывала, сила и направление магнитного поля «замораживались» в камне. Такая запись магнитного поля может быть обнаружена путем отбора проб и радиоизотопного датирования.

Сейчас ученым известно, что за последние 200 лет магнитное поле в среднем стало слабее примерно на 9%. Однако нынешнее поле является одним из самых сильных за последние 100 000 лет и сейчас оно вдвое сильнее, чем за последние миллион лет.

Южно-Атлантическая магнитная аномалия

В магнитосфере есть и "провал". Южно-Атлантическая аномалия, расположенная возле Бразилии и растянувшаяся до южной оконечности Африки, представляет собой область, где солнечная радиация интенсивнее, чем обычно — в ней частицы Солнца опускаются близко к поверхности Земли. Такой «провал» сформирован совместным действием геодинамо и наклона магнитной оси Земли.

Интенсивная солнечная радиация внутри аномалии может вызывать возгорание в электронике космического корабля, создает помехи в работе низкоорбитальных телескопов, однако она не оказывает влияния на жизнь на поверхности Земли. 

Магнитные полюсы Земли

На поверхности Земли магнитное поле образует два полюса (диполь), северный и южный, с противоположной полярностью.

Невидимые линии магнитного поля движутся по замкнутой непрерывной петле, попадая в Землю на северном полюсе и выходя на южном. Солнечный ветер задает форму поля: она сжата на обращенной к Солнцу стороне Земли и вытянута на миллионы километров на теневой стороне.

Но силы, от которых зависит магнитное поле Земли, переменчивы, и само поле также находится в постоянном потоке. Это приводит к постепенному смещению северного и южного магнитных полюсов Земли и их полной смене примерно каждые 300 000 лет. К слову, такие изменения никак не влияют на климат во временном масштабе человеческой жизни.

Нужно понимать, что магнитные полюса Земли отличаются от географических. Расположение последних определяется осью, вокруг которой вращается планета. 

На сегодняшний день по сравнению с 1831 годом положение северного магнитного полюса сдвинулось на северо-запад более чем на 1100 км, а скорость движения при этом выросла примерно с 16 до 55 км/год. Сейчас эта точка движется в направлении Сибири и полуострова Таймыр.

К счастью, эти колебания также не влияют на повседневную жизнь, но их важно учитывать для точной работы навигационных спутниковых систем.

Инверсия магнитного поля

Более серьезное явление, влияющее на магнитосферу Земли, — это инверсия. Периодически северный и южный магнитные полюсы Земли меняются местами. Это явление происходит крайне редко и ни разу не наблюдалось во время существования на планете Homo Sapiens. Но при этом инверсия — стандартная ситуация в геологической истории Земли.

Палеомагнитная летопись говорит, что смена полюсов Земли произошла уже 183 раза за последние 83 млн лет. Интервалы времени между инверсиями сильно колебались, но в среднем составляли около 300 000 лет, но при этом последняя инверсия произошла около 780 000 лет назад. Пока исследователи не знают, от чего зависит частота инверсий: предположительно, на это влияют процессы конвекции в мантии.

При смене полюсов магнитное поле становится слабее, а стрелка компаса должна указывать противоположное направление. Но магнитосфера по-прежнему защищает нашу планету, хотя в эти периоды может наблюдаться небольшое количество радиации, которая достигает поверхности Земли.

Когда ждать следующего эпизода, никто не знает, но ученые уверены, что это не случится в одночасье.

Геомагнитные экскурсы

Наконец, магнитные полюсы не всегда совершают полный переворот и могут отклоняться от своего положения до 45 градусов. Это явление называется геомагнитным экскурсом (геомагнитной экскурсией): оно происходит примерно в 10 раз чаще инверсий, снижает напряженность магнитного поля и продолжается от нескольких столетий до нескольких десятков тысяч лет. 

За последние 70 000 лет случилось три крупных экскурса, из них наиболее изучено событие Лашамп-Каргаполово, которое произошло от 42 000 до 41 000 лет назад.