Планетарный магнитный переворот

В первые дни февраля большое внимание привлекли заявления ученых о возможности в обозримом будущем смены магнитных полюсов Земли (инверсии магнитного поля). Сначала этой теме посвятили популярную статью геофизики Йон Маунд и Фил Ливермор из Лидского университета, затем о некоторых дополнительных деталях сообщили в другой статье Джон Тардуно и Винсент Хар из Университета Рочестера.

Следует заметить, что идея о скорой, в геологическом масштабе времени, инверсии земного магнитного поля, отнюдь не нова, и с начала 2000-х годов высказывается различными учеными регулярно. Ряд явлений, которые наблюдаются в последние десятилетия, действительно дают основания для таких прогнозов. Но, поскольку никакой регулярности в поведении магнитосферы Земли, так и не было обнаружено, нельзя говорить о том, что инверсия магнитного поля вот-вот начнется. Скорее всего, это событие действительно произойдет в будущем, но предсказать его дату мы не можем.

Магнитными свойствами Земли люди пользовались с древних времен, с тех пор как в Китае был изобретен компас. Правда, в древности и в средневековье считали, что стрелка компаса притягивается к Полярной звезде. Представление о том, что вся наша планета представляет собой магнит, сформировалось к концу XVI века. Рубежом можно считать 1600 год, когда появился труд английского ученого Уильяма Гильберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». Но Гильберт считал, что магнитные полюса Земли (то есть, в современном понимании, места, где линии магнитного поля перпендикулярны земной поверхности) совпадают с географическими полюсами.

Позднее люди заметили, что точки, куда указывают стрелки компаса, не совпадают с северным и южным географическими полюсами. В 1831 году экспедиция британского полярного исследователя Джеймса Кларка Росса нашла Северный магнитный полюс на мысе Аделаида, что на полуострове Бутия в канадской Арктике. Южного магнитного полюса в 1830-х – 1840-х годах безуспешно пытались достигнуть француз Дюмон-Дюрвиль, американец Уилкс и все тот же Росс. Однако его расположение, на антарктической Земле Адели, вычислил участник экспедиции Дюмон-Дюрвиля Венсан-Дюмолен. Люди впервые побывали на Южном магнитном полюсе лишь в 1909 году, это были трое участников британской антарктической экспедиции на судне «Нимрод».

К началу XX века все казалось твердо установленным: магнитные полюса пусть и не совпадали с географическими, но отстояли от них на сравнительно небольшое расстояние. Стоит только уточнить, что Южный магнитный полюс Земли с точки зрения физики следовало бы называть северным и наоборот, так как на южный полюс указывает южный конец стрелки компаса (а северный ее конец на северный магнитный полюс), а одноименные полюса магнита должны отталкиваться, а не притягиваться. Но для простоты этим обычно пренебрегают и называют Северным магнитным полюсом тот, что в Арктике, а Южным – тот, что в Антарктиде.

Однако в 1903 году обнаружился первый сюрприз. Амундсен, путешествовавший по Арктике, обнаружил, что Северный магнитный полюс переместился с места, где он был найден Россом. Так было открыто движение магнитных полюсов. Со временем и Северный и Южный магнитный полюса довольно сильно отдалились от места их первоначального обнаружения.

В 1905 году последовал второй сюрприз. Французский физик Бернар Брюнес исследовал вулканические породы горного массива Канталь на юге Франции возрастом около 750 тысяч лет назад и обнаружил, что вектор их магнитного поля направлен в противоположном направлении по сравнению с современным магнитным полем Земли. Брюнес предположил, что в момент образования горной породы направление магнитного поля Земли было иным. Так впервые была замечена инверсия магнитного поля в прошлом.

Бернар Брюнес

Сначала эта гипотеза казалась невероятной, но постепенно геофизики находили все больше подтверждений того, что магнитные полюса Земли ранее менялись местами. Так, в 1920-е годы японский исследователь Мотонори Матуяма, изучив образцы базальта, собранные в Японии и Маньчжурии, пришел к сходным выводам. Он определил, что в период с 2,58 млн. до 0,78 млн. лет назад направление линий магнитного поля Земли было обратным (с нынешней точки зрения). Сейчас этот период геомагнитной истории назван именем Матуямы, а переворот, приведший магнитосферу к современному состоянию – переворотом Брюнеса – Матуямы.

Мотонори Матуяма (справа) на борту исследовательской подводной лодки (1934)

Узнать, каким было магнитное поле Земли в древности, ученым помогают “записи” магнитных линий в различных горных породах. Дело в том, что магнитные горные породы вулканического происхождения приобретают намагниченность после того, как остынут ниже определенной температуры (так называемой «точки Кюри»). С этого момента они сохраняют направление и напряженность магнитных линий таким, каким оно было в тот момент. Если вторичного нагревания породы не происходит, запись древнего магнитного поля сохраняется тысячи и миллионы лет. Сходное явление происходит при литификации некоторых минералов в осадочных горных породах, поскольку магнитные частицы, оседая на дно водоема, ориентируются в направлении силовых линий магнитного поля, существующего в данное время в данном месте. В вулканических породах такая намагниченность называется термоостаточной, в осадочных – ориентационной.

Способность горных пород хранить данные о древнем магнитном поле Земли во второй половине XX века позволила создать особый раздел геологии – палеомагнитологию. Ученые убедились, что данные о направлении магнитного поля в одни и те же эпохи совпадают в породах из разных мест земного шара. В 1963 году удалось создать первую магнитостратиграфическую шкалу. Она охватила последние 3,5 млн. лет истории Земли и содержала два периода прямой магнитной полярности и один период – обратной, то есть инверсия магнитного поля за это время произошла трижды.

Сейчас эта шкала значительно уточнена благодаря исследованиям осадочных пород океанов, проведенных в конце 1960-х годов на специальных буровых судах «Гломар Челленджер» и «Джойдес Резолюшн». Ученые проделали тысячи скважин, получая со дна керны пород общей длиной до полутора километров. Благодаря наличию керна, можно наблюдать за изменениями магнитосферы в течение тысячелетий без перерыва, тогда как вулканические породы фиксируют лишь короткий промежуток времени.

Исследовательское буровое судно «Гломар Челленджер»

Теперь геологи знают, что магнитное поле Земли существует не менее трех с половиной миллиардов лет, и за это время оно меняло полярность множество раз. Для последних 165 миллионов лет земной истории построена достаточно точная магнитостратиграфическая шкала. Но никакой закономерности в инверсиях магнитного поля обнаружить так и не удалось. В последние несколько миллионов лет инверсии случались приблизительно раз в 200 – 250 тысяч лет. Однако для более ранних эпох отмечаются периоды стабильности и в 20, и в 40, и в 70 миллионов лет. Бывали и другие периоды, когда магнитные полюса Земли менялись местами раз в 40 тысяч лет.

Поскольку переворот Брюнеса – Матуямы произошел около 780 млн. лет назад и был последней по времени глобальной инверсией, затянувшаяся пауза заставляет задуматься о приближении новой смены полюсов. И в некоторых событиях ученые видят подтверждение этого. Во-первых, они обращают внимание, что скорость перемещения магнитных полюсов Земли, за которыми внимательно следили весь XX век, в последние десятилетия значительно увеличилась. Если в старых учебниках можно прочитать, что магнитные полюса смещаются примерно на десять километров в год, то в 1980-х годах обнаружили, что они значительно ускорились. К 1990-м годам Северный магнитный полюс стал проходить в год по 15 километров, а в 2000-е он разогнался до 50 и более километров за год. Если так пойдет дальше, скоро он переместится в Россию, на Таймыр. Интересно, что Южные магнитный полюс тоже ускорился, но куда менее, чем Северный, и больше 15 километров в год не проходит.

Второе явление, которое часто приводят в качестве свидетельства скорой инверсии магнитных полюсов – общее ослабление магнитного поля Земли. По словам Маунда и Ливермора, его напряженность сейчас падает примерно на пять процентов за столетие. Тардуно и Хар указывают на особо слабое место в современной магнитосфере – Южно-Атлантическую, или Бразильскую аномалию, которая, по их мнению, стала первым предвестником грядущей инверсии.

Южно-Атлантическая аномалия

Действительно, в геологическом прошлом инверсиям магнитного поля, как правило, предшествовало общее ослабление его напряженности в восемь – десять раз. Но следует упомянуть, что оппоненты сторонников близкой инверсии обращают внимание: изменения напряженности (как уменьшение, так и увеличение) встречаются в геомагнитной истории и сами по себе, без связи с инверсиями. Последние полтора века мы наблюдаем ослабление магнитного поля, но до этого был период его усиления. Так что основанием для прогноза это служить не может. Впрочем, даже те, кто ждет скорую инверсию, говорят о сроке в ближайшие пару тысяч лет – точнее предсказать никто не берется.

А почему вообще инверсии происходили? Ответ следует искать в природе магнитного поля Земли. Оно возникает благодаря наличию у планетарного ядра жидкой части. Раскаленная жидкость внутри Земли совершает движения. У этих движений две причины. Поскольку на границе мантии с жидким ядром температура равна около 3800 кельвинов, а на границы жидкой и твердой частей ядра – целых 6000 кельвинов, такая разница температур вызывает конвекцию. Более горячие потоки поднимаются вверх к мантии, потом остывают и направляют к твердому ядру. Вторая причина – сила Кориолиса, смещающая жидкость благодаря вращению Земли. Поскольку жидкость представляет собой электропроводящие расплавы железа, ее движение порождает электромагнитное поле. Движение заряженных частиц в магнитном поле поддерживается возникающей там силой Лоренца. Но если общий принцип возникновения магнитного поля Земли понятен, то многие детали его ученым неясны. Видимо, периодически сменяющие друг друга периоды прямой и обратной магнитной полярности связаны с тем, что сложная система потоков проводящей жидкости в ядре колеблется между двумя устойчивыми состояниями, которые иногда сменяют друг друга.

Что же в итоге? Можно сделать два вывода:

• Магнитное поле Земли многократно меняло полярность в прошлом, и нет никаких оснований думать, что этого не произойдет в будущем. Рано или поздно произойдет.
• Предсказать инверсию магнитного поля даже с точностью до тысячи лет невозможно. Для этого надо было бы обладать существенно большей информацией о том, что происходит в земном ядре.

Следует помнить и о том, что инверсия не происходит за часы, дни или годы. Она длится тысячи лет, пока магнитные полюса не займут своего нового положения. Все это время напряженность магнитного поля планеты снижена, а вместо двух главных полюсов, возникает несколько временных, в разных точках. Хотя этот период несет угрозу, так как ослабевает магнитная защита Земли от солнечной радиации, его постепенность даст людям время принять меры для защиты как человечества, так и современной техники от электромагнитного излучения.