Местоположение северного магнитного полюса, наблюдаемое в 1831–2007 гг., показано желтыми квадратами. Смоделированные местоположения полюсов за 1590–2025 годы представляют собой круги, цвет которых меняется от синего к желтому. Фото: Национальные центры экологической информации.
Магнитное поле Земли играет большую роль в защите людей от опасного излучения и геомагнитной активности, которые могут повлиять на спутниковую связь и работу электросетей. И оно движется.
Ученые изучали и отслеживали движение магнитных полюсов на протяжении веков. Историческое движение этих полюсов указывает на изменение глобальной геометрии магнитного поля Земли. Это может даже указывать на начало инверсии поля — «переворота» между северным и южным магнитными полюсами.
Я физик, изучающий взаимодействие планет и космоса. Хотя небольшое смещение северного магнитного полюса не имеет большого значения, его изменение может оказать большое влияние на климат Земли и наши современные технологии. Но эти изменения не происходят мгновенно. Вместо этого они происходят на протяжении тысячелетий.
Генерация магнитного поля
Так как же генерируются магнитные поля, подобные тому, что вокруг Земли?
Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами. Материал, который позволяет зарядам легко перемещаться в нем, называется проводником. Металл является одним из примеров проводника: люди используют его для передачи электрического тока из одного места в другое. Сам электрический ток представляет собой просто отрицательные заряды, называемые электронами, движущимися через металл. Этот ток создает магнитное поле.
Слои проводящего материала можно найти в жидком железном ядре Земли. Токи зарядов движутся по всему ядру, и жидкое железо тоже движется и циркулирует в ядре. Эти движения создают магнитное поле.
Земля — не единственная планета с магнитным полем: газовые планеты-гиганты, такие как Юпитер, имеют проводящий слой металлического водорода, который генерирует магнитные поля.
Движение этих проводящих слоев внутри планет приводит к появлению двух типов полей. Более крупные движения, такие как крупномасштабные вращения планеты, приводят к симметричному магнитному полю с северным и южным полюсами, похожему на игрушечный магнит.
Эти проводящие слои могут иметь некоторые локальные нерегулярные движения из-за локальной турбулентности или меньших потоков, которые не следуют крупномасштабной схеме. Эти неравномерности проявятся в некоторых небольших аномалиях магнитного поля планеты или в местах, где поле отклоняется от идеального дипольного поля.
Эти мелкомасштабные отклонения магнитного поля могут со временем привести к изменениям крупномасштабного поля и потенциально даже к полной смене полярности дипольного поля, когда север становится югом и наоборот. Обозначения «север» и «юг» на магнитном поле относятся к их противоположным полярностям — они не связаны с географическим севером и югом.
Магнитосфера Земли — защитный пузырь
Магнитное поле Земли создает магнитный «пузырь», называемый магнитосферой, над самой верхней частью атмосферы, слоем ионосферы.
Магнитосфера играет важную роль в защите людей. Он защищает и отклоняет разрушительное высокоэнергетическое космическое излучение, которое создается при взрывах звезд и постоянно распространяется по Вселенной. Магнитосфера также взаимодействует с солнечным ветром, который представляет собой поток намагниченного газа, исходящий от Солнца.
Взаимодействие магнитосферы и ионосферы с намагниченным солнечным ветром создает то, что ученые называют космической погодой. Обычно солнечный ветер мягкий, а космическая погода практически отсутствует.
Однако бывают случаи, когда Солнце выбрасывает в космос большие намагниченные облака газа, называемые корональными выбросами массы. Если эти корональные выбросы массы доберутся до Земли, их взаимодействие с магнитосферой может вызвать геомагнитные бури. Геомагнитные бури могут создавать полярные сияния, которые возникают, когда поток заряженных частиц попадает в атмосферу и загорается.
Во время явлений космической погоды вблизи Земли наблюдается более опасное излучение. Это излучение потенциально может нанести вред спутникам и астронавтам. Космическая погода также может повредить крупные проводящие системы, такие как магистральные трубопроводы и электросети, из-за перегрузки токов в этих системах.
Космические погодные явления также могут нарушить работу спутниковой связи и GPS, на которые полагаются многие люди.
Полевые перевороты
Ученые составляют карту и отслеживают общую форму и ориентацию магнитного поля Земли, используя местные измерения ориентации и величины поля, а в последнее время и модели.
Местоположение северного магнитного полюса сместилось примерно на 600 миль (965 километров) с момента первого измерения, проведенного в 1831 году. Скорость миграции увеличилась с 10 миль в год до 34 миль в год (с 16 до 54 км) в более последние годы. Это ускорение может указывать на начало изменения поля, но ученые действительно не могут этого сказать, имея данные менее чем за 200 лет.
Магнитное поле Земли меняется на противоположное во временных масштабах, которые варьируются от 100 000 до 1 000 000 лет. Ученые могут сказать, как часто меняется магнитное поле, глядя на вулканические породы в океане.
Эти камни отражают ориентацию и силу магнитного поля Земли при их создании, поэтому датировка этих камней дает хорошее представление о том, как поле Земли развивалось с течением времени.
Развороты полей происходят быстро с геологической точки зрения, но медленно с человеческой точки зрения. Разворот обычно занимает несколько тысяч лет, но за это время ориентация магнитосферы может измениться и подвергнуть большую часть Земли воздействию космического излучения. Эти события могут изменить концентрацию озона в атмосфере.
Ученые не могут с уверенностью сказать, когда произойдет следующее изменение поля, но мы можем продолжать составлять карты и отслеживать движение магнитного севера Земли.
Информация от: Разговором
