Вращаясь вокруг твердого внутреннего ядра нашей планеты, более чем на 1800 миль ниже поверхности, горячее жидкое железо создает магнитное поле, которое простирается за пределы атмосферы. Это поле дает нам все - от направлений компаса до защиты от космических лучей, поэтому неудивительно, что ученые были встревожены в начале этого года, когда заметили, что северный магнитный полюс быстро дрейфует в сторону Сибири. В то время как геофизики пытались выпустить обновленную модель магнитного поля Земли раньше ее пятилетнего графика, мигрирующий полюс поставил насущный вопрос: готовится ли магнитное поле Земли к перевороту?
Магнитное состояние нашего мира постоянно меняется, магнитный северный и южный полюсы блуждают на несколько градусов каждое столетие или около того. Иногда магнитное поле испытывает полное изменение полярности, в результате чего магнитный северный и южный полюсы меняются местами, хотя никто точно не знает, что вызывает этот поворот. (Фактически, северный полюс планеты в настоящее время является магнитным южным полюсом, но он все еще называется «магнитным севером», что соответствует нашим географическим измерениям.)
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science Advances, исследователи сообщают о новой предполагаемой шкале времени последнего изменения полярности, названной перестановкой Брюнса-Матуямы, которая произошла около 780 000 лет назад. Используя комбинацию образцов лавы, океанических отложений и ледяных кернов, они смогли отследить прогресс этого изменения и продемонстрировать, что его структура была более длинной и более сложной, чем предполагалось предыдущими моделями. Результаты могут помочь лучше понять, как развивается магнитная среда на нашей планете, и, как мы надеемся, послужат основой для прогнозов следующего серьезного нарушения.
«[Изменение полярности] является одним из немногих геофизических явлений, которые действительно глобальны», - говорит Брэд Сингер, профессор геонауки в Университете Висконсин-Мэдисон и ведущий автор исследования. «Это процесс, который начинается в самых глубоких частях Земли, но он проявляется в скалах по всей поверхности планеты и воздействует на атмосферу довольно важными способами. … Если мы сможем установить хронологию времени разворота, у нас есть маркеры, которые мы сможем использовать для датировки камней по всей планете и определения общих моментов времени вокруг всей Земли ».
Генерация магнитного поля Земли начинается в самом ее центре. Тепло от твердого внутреннего ядра, полученное в результате радиоактивного распада, нагревает жидкое железо, заставляя его циркулировать, как горшок с водой на плите. Движение жидкости или конвекция железа создает электрический ток, который генерирует магнитное поле. Поскольку Земля вращается, магнитное поле приблизительно выравнивается с осью вращения, создавая магнитный северный и южный полюса.
За последние 2, 6 миллиона лет магнитное поле Земли перевернулось 10 раз и почти перевернулось более 20 раз во время событий, называемых экскурсиями. Некоторые исследователи полагают, что изменение полярности вызвано нарушением баланса между вращением Земли и температурой в ядре, которое изменяет движение жидкости жидкого железа, но точный процесс остается загадкой.
Схематическое изображение линий невидимого магнитного поля, генерируемых Землей, представленных в виде дипольного магнитного поля. На самом деле наш магнитный экран прижат ближе к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и чрезвычайно вытянут по ночной стороне из-за солнечного ветра. (Питер Рейд / НАСА) Зингер и его коллеги получили более точные хронологические оценки последнего изменения полярности, используя новые методы для датировки затвердевшей лавы. Базальтовая лава, которая извергается около 1100 градусов по Цельсию (2, 012 градуса по Фаренгейту), содержит магнетит, оксид железа, внешние электроны которого ориентированы вдоль магнитного поля Земли. Когда лава остывает до 550 градусов по Цельсию (1022 градуса по Фаренгейту), «направление намагниченности блокируется, буквально выпекается в потоке», говорит Сингер. В результате история магнитного поля отпечатывается в затвердевшей лаве, которую Сингер и его команда могли прочитать, используя специализированный процесс для измерения изотопов аргона в разложившихся образцах лавы.
К сожалению для геологов (но к счастью для всех нас), вулканы не извергаются все время, делая лаву пятнистым рекордсменом эволюции магнитного поля. Чтобы сшить недостающие даты, исследовательская группа объединила новые измерения из семи различных источников лавы по всему миру с прошлыми записями намагниченных элементов в отложениях океана и ледяных кернах Антарктики. В отличие от лавы, океан обеспечивает постоянную запись намагниченности, поскольку зерна магнитного материала постоянно оседают на морском дне и выравниваются с полем планеты. «Но эти записи становятся гладкими и деформированными в результате уплотнения, и на дне морского дна обитает множество тварей… поэтому запись немного разрушается», - говорит Сингер.
Антарктический лед предлагает третий способ разрешения истории магнитного поля Земли, поскольку он содержит образцы изотопа бериллия, который образуется, когда космическое излучение сильно взаимодействует с верхними слоями атмосферы - именно то, что происходит, когда магнитное поле ослабевает во время экскурсии или обращения.
Объединив все эти три источника, исследователи составили воедино полную историю о том, как развивалось магнитное поле во время его последнего изменения. В то время как в предыдущих исследованиях предполагалось, что все аннулирования проходят три фазы за промежуток времени не более 9000 лет, команда Сингера обнаружила гораздо более сложный процесс аннулирования, который занял более 22 000 лет.
«Мы можем увидеть гораздо больше нюансов растущих и уменьшающихся сил и направленного поведения в течение этого 22 000-летнего периода, чем когда-либо прежде», - говорит Сингер. «И это не соответствует [трехфазному] шаблону… поэтому я думаю, что им придется вернуться к чертежной доске».
Полученные данные ставят под сомнение, будут ли будущие изменения поля демонстрировать аналогичные сложности и длительности. «Это важный документ, поскольку он документирует новые вулканические данные и объединяет вулканические и осадочные записи, относящиеся к нестабильности геомагнитного поля до последнего изменения полярности», - говорит Джеймс Чаннелл, геофизик из Университета Флориды, который не принимал участия в новом исследовании, по электронной почте. «Является ли эта нестабильность до обращения характеристикой всех изменений полярности? Пока что нет никаких доказательств этого из более ранних изменений ».
Соавтор исследования Роб Коу и Тревор Дуарте, ориентирующие ядра из участка лавового потока, записывающего изменение магнитной полярности Матуяма-Брюнса в Национальном парке Халеакала, Гавайи, в 2015 году. (Брэд Сингер) Даже с тремя наборами измерений остается вопрос о том, предоставляет ли история исправлений достаточно информации о том, сколько времени занимает переворот и в каком состоянии находится поле, когда происходят такие перевороты. «Пока нет полной записи, свидетельствующей о сложной последовательности событий, описанной авторами, я не уверен, что неопределенности по возрастам позволяют нам различать более двух разных фаз», - говорит Жан-Пьер Валет, геофизик из Парижского института физики Земли, который не принимал участия в исследовании, по электронной почте. Валет также ставит под сомнение продолжительность аннулирования, утверждая, что неопределенности в данных предполагают, что весь процесс мог варьироваться от 13 000 до 40 000 лет - все еще дольше, чем предыдущие оценки.
Узнать больше о процессах, которые приводят к изменению полярности, может быть очень важно для будущих цивилизаций, поскольку смещение магнитного поля может иметь далеко идущие последствия для планеты.
«Когда [магнитное] поле слабое, то есть во время переворотов, основное дипольное поле разрушается до уровня порядка десяти процентов от его нормальной силы», - говорит Сингер. Этот коллапс может создать проблемы для жизни на Земле, поскольку магнитное поле стабилизирует молекулы озона, защищая планету от ультрафиолетового излучения. Сингер отмечает, что недавняя работа предполагает, что современные люди приспособились иметь защитные гены после того, как неандертальцы пострадали от радиации во время экскурсии, которая ухудшила магнитное поле.
«Уже довольно давно обсуждается, влияют ли магнитные изменения на биоту на поверхности Земли», - говорит он. «Большинство ранних заявлений являются абсурдными, потому что хронология была недостаточно хороша, чтобы понять, что, например, обнаружение окаменелостей неандертальцев было связано с экскурсией. Но теперь мы знаем эти сроки намного лучше ».
В течение последних 200 лет или более магнитное поле Земли уменьшалось со скоростью пять процентов каждый век. Если это ослабление и недавняя миграция северного магнитного полюса указывают на надвигающееся изменение поля, это может иметь серьезные последствия для технологий, основанных на спутниках, которые могут быть повреждены космическим излучением. Однако Сингер предупреждает, что разворот вряд ли произойдет в течение следующей пары тысячелетий.
«То, что мы видим сейчас с быстрым движением северного полюса, это на самом деле вполне нормально», - говорит Сингер. «Есть статьи, опубликованные там, основанные на гораздо более бедных записях, чем те, с которыми мы работаем, которые предполагают, что изменение может произойти менее чем за человеческую жизнь, и это просто не поддерживается подавляющим большинством записей. ... Фактическое изменение, окончательное изменение занимает несколько тысяч лет ».
Это должно выиграть у человечества время, чтобы лучше защитить свои технологии от радиации при следующем обращении. До тех пор, не беспокойтесь, если ваш компас смещается на градус или два.
