Земле предрекли переворот магнитного поля

Геофизики из Лидского университета Йон Маунд и Фил Ливермор полагают, что через пару тысяч лет произойдет инверсия магнитного поля Земли. Свои выводы британские ученые изложили в колонке издания The Conversation.

«Лента.ру» приводит основные тезисы авторов и объясняет, почему геофизики скорее всего правы.

Магнитное поле защищает Землю от опасного космического излучения, отклоняя заряженные частицы от планеты. Однако это силовое поле не постоянно. За всю историю планеты произошло по крайней мере несколько сотен инверсий магнитного поля, когда северный и южный магнитный полюса менялись местами.

В процессе смены полярности магнитное поле планеты принимает сложную форму и ослабевает. В этот период его значение может упасть до десяти процентов от первоначальной величины и одновременно образуются не два полюса, а несколько, в том числе, например, на экваторе. В среднем инверсии магнитного поля происходят раз в миллион лет, однако интервал между разворотами непостоянен.

Кроме геомагнитных инверсий в истории Земли происходили и неполные развороты, когда магнитные полюса перемещались в низкие широты, вплоть до пересечения экватора, а затем возвращались обратно. Последний раз геомагнитная инверсия, так называемое явление Брюнес-Матуяма, произошло около 780 тысяч лет назад. Временный разворот — событие Лашамп — случилось 41 тысячу лет назад и длилось менее тысячи лет, за которые на примерно 250 лет фактически изменилось направление магнитного поля планеты.

Изменения магнитного поля во время инверсии ослабляют защиту планеты от космического излучения и повышают уровень радиации на Земле. Если бы геомагнитная инверсия случилась сегодня, это привело бы к резкому увеличению рисков для работы околоземных спутников, авиации и наземной электрической инфраструктуры. Геомагнитные бури, возникающие при резком увеличении солнечной активности, дают ученым возможность оценить угрозы, с которыми может столкнуться планета при резком ослаблении ее магнитного поля.

В 2003 году солнечная буря стала причиной обесточивания электрических сетей в Швеции и потребовала введения изменений в маршруты авиаперелетов, которые позволяли избежать временных провалов связи и снизить радиационные риски для спутников и наземной инфраструктуры. Но эта буря считается незначительной по сравнению с событием Кэррингтона — геомагнитной бурей 1859 года, когда полярные сияния случались даже в окрестностях Карибских островов.

Между тем конкретное влияние, которое крупный шторм может произвести на современную электронную инфраструктуру, до сих пор непонятно. Наверняка можно сказать, что экономический ущерб от отключения электроэнергии, систем отопления, кондиционирования, геопозиционирования и интернета будет весьма существенным: лишь по приблизительным подсчетам он оценивается минимум в 40 миллиардов долларов в день.

Прямое воздействие, которое произведет инверсия магнитного поля на живых существ и людей, также трудно прогнозировать: современный человек за всю историю своего существования не сталкивался с таким событием. Имеются исследования, которые пытаются связать геомагнитные инверсии и вулканическую активность с массовыми вымираниями. Однако, отмечают Маунд и Ливермор, пока не заметно активизации вулканизма, поэтому скорее всего человечеству придется иметь дело исключительно с электромагнитным воздействием.

Известно, что многие виды животных имеют некоторую форму магниторецепции, позволяющую чувствовать изменение магнитного поля Земли. Эту особенность животные используют для навигации во время продолжительных миграций. Пока неясно, какое именно влияние геомагнитная инверсия окажет на такие виды. Известно лишь, что древним людям удалось успешно пережить событие Лашамп, а жизнь на планете за всю историю ее существования сотни раз сталкивалась с полными разворотами геомагнитного поля.

Два обстоятельства — давность явления Брюнес-Матуяма и наблюдаемое ослабевание геомагнитного поля Земли примерно на пять процентов в столетие — позволяют осторожно предположить, что инверсия может произойти в течение ближайших двух тысяч лет. Более точные сроки назвать трудно. Магнитное поле планеты генерируется жидким железокаменным ядром, подчиняющимся тем же законам физики, что гидросфера и атмосфера.

Между тем прогнозировать погодные изменения человечество научилось всего на несколько дней вперед. В случае с ядром, расположенным на глубине около трех тысяч километров от поверхности Земли, ситуация намного сложнее — прежде всего из-за крайне скудной информации о строении и процессах, происходящих в недрах планеты. В распоряжении ученых имеется примерная информация о составе и структуре ядра, а также глобальная сеть наземных геофизических обсерваторий и орбитальных спутников, позволяющих измерить изменения геомагнитного поля и таким образом проследить за движением ядра Земли.

О ядре планеты действительно известно не так много. Например, только недавно японские ученые в ходе лабораторных экспериментов, имитирующих условия внутри Земли, надежно установили, что третьим основным его компонентом является кремний: на него приходится примерно пять процентов массы ядра Земли. Другие доли приходятся на железо (85 процентов) и никель (10 процентов). Как обычно в таких случаях, остались сторонники альтернативной гипотезы третьего элемента, которые считают, что им является не кремний, а кислород.

Немного ученые знают и об устройстве мантии планеты. Всего три года назад стало достоверно известно, что в переходном слое между верхней и нижней мантией, на глубине 410-660 километров, имеются обширные запасы воды. Впоследствии эти данные неоднократно подтверждались. Дальнейший анализ показал, что вода может содержаться и в нижележащих слоях, на глубине около тысячи километров. Но даже в этом случае неизвестно, рассредоточена она в пределах всего слоя или занимает лишь определенные локальные участки.

Поднимаясь выше, ученые сталкиваются с другой проблемой — природой и происхождением тектоники литосферных плит. Строго говоря, Земля считается единственной планетой Солнечной системы, где есть тектоника, но никто до сих пор не знает, когда и почему она возникла. Ответы на эти вопросы позволили бы отследить прошлое и будущее континентов — в частности, современный этап цикла Уилсона. Предварительные данные ученые в очередной раз представили на специализированной конференции, состоявшейся в 2016 году.

Природа магнитного поля планеты является самой большой геофизической проблемой. Достоверно известно, что кроме Меркурия, Земли и четырех газовых гигантов магнитосферой обладает еще и Ганимед — крупнейший спутник Юпитера, но каким образом планета поддерживает собственную магнитосферу, известно крайне мало. В распоряжении ученых пока имеется практически единственная теория геодинамо. Согласно этой теории, в недрах планеты находится металлическое ядро с твердым центром и жидкой оболочкой. За счет распада радиоактивных элементов выделяется тепло, приводящее к формированию конвективных течений проводящей жидкости. Эти течения и генерируют магнитное поле планеты.

Хотя теория геодинамо практически безальтернативна, она вызывает большие затруднения. Согласно классической магнитогидродинамике, динамо-эффект должен затухать, а ядро планеты — остывать и твердеть. Точного понимания механизмов, благодаря которым Земля поддерживает эффект самогенерации динамо вместе с наблюдаемыми особенностями магнитного поля, прежде всего геомагнитными аномалиями, миграцией и инверсией полюсов, до сих пор нет.

Недавнее открытие внутри ядра Земли железной струи, как отмечают Маунд и Ливермор, свидетельствует о растущих возможностях науки в исследовании динамики происходящих в недрах планеты процессов. Струя образовалась в жидком внешнем ядре Земли в районе, расположенном под Северным полюсом. Ширина объекта в настоящее время составляет 420 километров. Таких размеров струя достигла начиная с 2000-го, каждый год увеличиваясь в ширину до 40 километров.

Геофизики полагают, что открытая ими железная струя является одним из объектов, создающих магнитное поле Земли. В сочетании с численными методами и лабораторными экспериментами это и другие открытия, по мнению специалистов, должно сильно ускорить прогресс в этой области геофизики. Вполне возможно, отмечают Маунд и Ливермор, что ученые вскоре смогут прогнозировать поведение ядра Земли.