Магнитное поле Земли может меняться быстрее, чем мы думали

Это может повлиять на электронные приборы, спутники и навигацию.

Магнитные полюса Земли

Магнитное поле Земли, создаваемое на глубине 3000 км под нашими ногами в ядре из жидкого железа, имеет решающее значение для жизни на нашей планете. Он простирается в космос, окутывая нас электромагнитным одеялом, которое защищает атмосферу и спутники от солнечного излучения.

Тем не менее, магнитное поле постоянно меняется как по силе, так и по направлению и в прошлом претерпевало некоторые сильные изменения. Это включает в себя загадочные инверсии магнитных полюсов, когда южный полюс становится северным и наоборот.

Давний вопрос был в том, как быстро поле может измениться. Наше новое исследование, опубликованное в Nature Communications, выявило некоторые ответы.

Быстрые изменения магнитного поля представляют большой интерес, потому что они представляют собой наиболее экстремальное поведение океана расплавленного железа в жидком ядре. Связывая наблюдаемые изменения с основными процессами, мы можем узнать важную информацию о недоступном в противном случае районе нашей планеты.

Исторически самые быстрые изменения магнитного поля Земли были связаны с переворотами, которые происходят с нерегулярными интервалами несколько раз в миллион лет. Но ученые обнаружили полевые изменения, которые намного быстрее и новее, чем любые данные, связанные с реальными изменениями.

В настоящее время спутники помогают отслеживать изменения в поле как в пространстве, так и во времени, дополненные навигационными записями и наземными обсерваториями. Эта информация показывает, что изменения в современной области довольно громоздки, около одной десятой градуса в год. Но, хотя известно, что это месторождение существует как минимум 3,5 миллиарда лет, ученые мало что знают о его поведении до 400 лет назад.

Чтобы отследить древнее поле, ученые анализируют магнетизм, зафиксированный осадками, потоками лавы и искусственными артефактами. Это потому, что эти материалы содержат микроскопические магнитные зерна, которые регистрируют характер поля Земли в момент их охлаждения (для лав) или добавления к суше (для отложений). Записи осадков из центральной Италии во время последнего изменения полярности почти 800 000 лет назад предполагают относительно быстрые изменения поля, достигающие одного градуса в год.

Однако такие измерения чрезвычайно сложны, и результаты все еще обсуждаются. Например, существуют неопределенности в процессе, благодаря которому отложения приобретают магнетизм.

В исследовании используется другой подход с использованием компьютерных моделей, основанных на физике процесса генерации поля. Это сочетается с недавно опубликованной реконструкцией глобальных вариаций магнитного поля Земли за последние 100 000 лет, основанной на компиляции измерений отложений, лав и артефактов.

Магнитный разворот полюсов Земли.

Это показывает, что изменения направления магнитного поля Земли достигли скорости до десяти градусов в год — в десять раз больше, чем самые быстрые изменения, о которых сообщалось в настоящее время.

Самые быстрые наблюдаемые изменения в направлении геомагнитного поля произошли около 39 000 лет назад. Этот сдвиг был связан с локально слабым полем в ограниченной области недалеко от западного побережья Центральной Америки. Событие последовало за глобальной "экскурсией Лашампа" — "неудавшимся переворотом" магнитного поля Земли около 41000 лет назад, когда магнитные полюса ненадолго сместились далеко от географических полюсов, прежде чем вернуться.

Наиболее быстрые изменения, по-видимому, связаны с локальным ослаблением магнитного поля. Новая модель предполагает, что это вызвано движением пятен сильного магнитного поля по поверхности жидкого ядра. Эти пятна более распространены в более низких широтах, что предполагает, что будущие поиски быстрых изменений направления должны быть сосредоточены на этих областях.

Изменения магнитного поля, например инверсии, вероятно, не представляют угрозы для жизни. Людям действительно удалось пережить драматическую экскурсию Лашампа. Сегодня угроза в основном заключается в нашей зависимости от электронной инфраструктуры. Явления космической погоды, такие как геомагнитные бури, возникающие в результате взаимодействия магнитного поля и приходящей солнечной радиации, могут нарушить спутниковую связь, GPS и электросети.

Это вызывает беспокойство — экономические издержки от обрушения энергосистемы США из-за космической погоды оцениваются примерно в один триллион долларов. Угроза настолько серьезна, что космическая погода занимает приоритетное место в национальном регистре рисков Великобритании.

Явления космической погоды, как правило, более распространены в регионах со слабым магнитным полем — что, как мы знаем, может произойти, когда поле быстро меняется. К сожалению, компьютерное моделирование предполагает, что изменения направления возникают после того, как напряженность поля начинает ослабевать, а это означает, что мы не можем предсказать провалы в напряженности поля, просто отслеживая направление поля. Дальнейшая работа с более продвинутым моделированием может пролить свет на этот вопрос.

Грядет ли еще одно быстрое изменение магнитного поля? На это очень сложно ответить. Самые быстрые изменения — это также самые редкие события: например, изменения, выявленные вокруг экскурсии Лашампа, более чем в два раза быстрее, чем любые другие изменения, произошедшие за последние 100 000 лет.

Это мешает ученым предсказать быстрые изменения — это события, которые становятся неожиданностью и имеют большое влияние. Одним из возможных путей продвижения вперед является использование основанных на физике моделей поведения месторождения как части прогноза.

Нам еще многое предстоит узнать об "ограничении скорости" магнитного поля Земли. Быстрые изменения еще не наблюдались непосредственно во время изменения полярности, но их следует ожидать, так как считается, что в это время поле становится глобально слабым.