чем быстрее меняется магнитное поле тем
Направление магнитного поля Земли меняется быстрее, чем считалось
Магнитное поле постоянно меняется. Сегодня отслеживать эти изменения достаточно легко благодаря спутникам, однако оно существовало задолго до появления таких устройств. Чтобы «прочитать» эволюцию магнитного поля, ученые анализируют осадочные породы и лавовые потоки. Но изучение через эти источники не всегда может быть достоверным и оправданным.
В новом исследовании ученые описывают иной подход. Они объединили компьютерное моделирование процесса генерации поля с реконструкцией временных вариаций за последние 100 000 лет.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, показывает, что изменения в направлении магнитного поля Земли достигают скорости, которая в 10 раз превышает самые быстрые зарегистрированные колебания до настоящего времени.
Полученные данные показывают, что эти быстрые изменения связаны с локальным ослаблением магнитного поля. Это означает, что перемены обычно происходят во времена, когда поле имеет обратную полярность или во время геомагнитных экскурсии, когда ось диполя перемещается далеко от расположения Северного и Южного географических полюсов.
За изменения климата в масштабах сотен и тысяч лет отвечает магнитное поле Земли
Возвращение к Птолемею
Об авторе: Юрий Магаршак – главный редактор «Журнала новых концепций» (Нью-Йорк).
Предположительно последний раз смена магнитных полюсов Земли произошла около 780 тыс. лет назад. Иллюстрация Depositphotos/PhotoXPress.ru
Какие физические процессы могут быть ответственны за изменения климата? В масштабах десятков миллионов и более лет таковыми, безусловно, являются движения материков. За изменения климата в масштабах нескольких лет могут быть ответственны изменения активности Солнца и извержения вулканов. А вот причины изменений климата в масштабах веков не исследованы и остаются неведомы.
Ливермор и его команда
Никем не показано, что климат в масштабах столетий должен быть стационарным. Чередование ледниковых периодов и периодов потеплений может являться частью колебательного процесса, физику и геофизику которого еще только предстоит понять. Поэтому естественно обратиться к поиску физических процессов, которые ответственны за изменения климата. Кандидатов не так уж много.
1. Изменение активности Солнца в масштабах столетий и тысячелетий. Наиболее известен и лучше всего изучен солнечный цикл с длительностью около 11 лет (цикл Швабе). Выделяют также удвоенный цикл Швабе длиной около 22 лет (цикл Хейла), имея в виду, что состояние глобального магнитного поля Солнца возвращается к исходному через два полных 11-летних цикла. То есть циклы Хейла и Швабе определяются магнитным полем Солнца.
В поведении солнечной активности имеются также гораздо менее выраженные циклы большей длительности: например, цикл Гляйсберга с периодом около одного века, а также сверхдлинные циклы длиной в несколько тысяч лет.
Таким образом, изменения климата на Земле в масштабах сотен лет в принципе могут определяться циклом солнечной активности. Однако такие циклы пока изучены недостаточно, чтобы делать научные выводы об их влиянии на земной климат. Пока это только одна из гипотез.
2. Изменение орбиты Земли. Орбита нашей планеты теоретически могла бы меняться под влиянием притяжения к другим планетам Солнечной системы. Однако ни теоретических, ни экспериментальных данных о существенном изменении земной орбиты под влиянием тяготения в настоящее время нет. Поэтому данную гипотезу можно рассматривать как чистую спекуляцию.
3. Прецессия земной оси. Прецессия – процесс, который наблюдал каждый, вращая волчок. Полный цикл земной прецессии составляет около 2765 лет. Это явление, прецессия земной оси, ответственным за изменения климата в масштабах столетий не может быть.
Кроме того, в результате прецессии меняется освещенность Северного и Южного полушарий, когда льды таят на Северном полюсе, они наращивались бы на юге, и наоборот. Однако ледниковые периоды и потепления проходили по всей земле.
4. Изменения магнитного поля земли. При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами. Предположительно последний раз инверсия магнитных полюсов произошла около 780 тыс. лет назад. И она тоже ответственной за изменения климата за время существования Homo sapiens быть не могла.
Недавно при исследовании истории магнитного поля новейшими методами обнаружилось, что после последнего временного сдвига оси, который произошел около 40 тыс. лет назад, северная стрелка компаса еще несколько тысячелетий указывала на современный южный полюс. А глобально полюса, напомню, менялись местами примерно 780 тыс. лет назад. Такое запаздывание (подобное эффекту гистерезиса) с точки зрения физики Земли само по себе интересно. Но поскольку оно происходит не чаще чем раз в сотни тысяч лет, ответственным за изменения климата в масштабах десятилетий и столетий оно быть не может.
Однако возможен и более мягкий процесс, когда изменения магнитного поля Земли, как по его напряженности, так и в географическом положении полюсов, происходят на сравнительно небольшую величину, без смены северного магнитного полюса на южный магнитный, а южного на северный. Оба эти процесса детектированы в последнее время.
Показано, что за последние несколько сотен лет напряженность магнитного поля Земли плавно, но довольно заметно снизилась, а положение северного и южного магнитных полюсов значительно изменилось. Как отметил руководитель этих исследований геофизик из Лидского университета доктор Фил Ливермор, ученых уже давно интересует, почему северный магнитный полюс, который ранее располагался в окрестностях островов Элсмир в канадской Арктике, в последние два десятилетия перемещается на север, сдвигаясь в сторону России примерно на 50–55 км каждый год.
Ливермор и его команда пытаются найти ответ на этот вопрос с ноября 2013 года – с тех пор, как Европейское космическое агентство запустило спутниковую космическую миссию Swarm, нацеленную на изучение магнитного поля Земли. Три года назад исследователи заметили, что магнитное поле в северных приполярных районах сильно и быстро меняется, так что получалась своеобразная «ромашка» из чередующихся зон с аномально слабым и аномально сильным магнитным полем. Иногда напряженность поля в «лепестках» всего за сезон менялась на значение, равное половине общей силы магнитного поля планеты.
Как предполагают ученые, в последнюю треть прошлого века такой «лепесток», расположенный под Канадой, резко поменял форму. Его границы сильно расширились, из-за чего сила его воздействия на магнитное поле Земли упала, а движение полюса в сторону России резко ускорилось.
В результате, отмечает Ливермор, два года назад северный магнитный полюс пересек линию перемены дат и официально оказался в Восточном полушарии. По последним прогнозам геофизиков, скорость и траектория его движения в ближайшие годы не изменятся, так что магнитный полюс сдвинется еще на 390–660 км к югу, но северных берегов Евразии не достигнет.
Причиной изменения напряженности магнитного поля и его положения могут быть струи расплавленного метала, двигающиеся с большой скоростью по близким к круговым орбитам под Северным полюсом планеты, увидеть которые стало возможным благодаря исследованиям со спутников.
Кто управляет Гольфстримом
Может ли изменение напряженности и географического положения магнитных полюсов Земли быть ответственным за изменения климата в масштабах веков и десятилетий? Теоретически ответ на этот вопрос, безусловно, является положительным.
Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля может влиять на интенсивность и направление океанических течений, подобных Гольфстриму. Вспомним, что вода – это электролит. Даже чистая вода. Концентрация положительных ионов водорода (H+) и отрицательных ионов гидроксильной группы (OH−) имеет порядок 10–7. Другими словами, в ионизированном состоянии находится одна десятимиллионая часть массы воды. Величина как будто бы небольшая, но если речь идет о движениях громадных масс, масса ионов воды в них воистину колоссальна.
Так, Гольфстрим (протяженностью тысячи километров и шириной того же порядка) движет более тысяч кубических километров воды, а значит, в ионизированном состоянии находится порядка миллиарда кубометров катионов ионов водорода и анионов гидроксида. Под действием постоянно действующих на ионы воды сил в направлениях океанских течений могут происходить изменения.
Разумеется, для оценки влияния изменения напряженности магнитного поля Земли на течения типа Гольфстрима требуется проведение математического моделирования. Но из рассмотрения проблемы на качественном физическом уровне ясно, что такое влияние может быть очень серьезным, вплоть до изменения направления океанских течений.
Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля при взаимодействии с ионизированной атмосферой Земли может влиять на интенсивность муссонов и их направление. В верхних слоях атмосферы ионы возникают под действием коротковолнового солнечного излучения. В нижних – ионизаторами нейтральных атомов и молекул являются главным образом радиоактивное излучение и космические лучи.
Взаимодействие магнитного поля Земли с ионами воздуха в нижних слоях (тропосфера и стратосфера) и в верхних слоях (мезосфера и термосфера) имеет разную физическую природу и различается по порядку величины. Однако взаимодействие ионов воздуха с магнитным полем Земли и в том, и в другом случае существенно влияет на муссоны (ветры, возникающие на границе суши и океана), на хамсины (изнуряющие жаркие ветры в Африке и на Ближнем Востоке), а также на частоту, интенсивность и направление ураганов. А значит, это может влиять на климат как в региональных масштабах, так и в масштабе планеты.
Возвращение к Птолемею
Другой результат изменения магнитного поля Земли – наложение на прецессию, определяемую вращением Земли вокруг Солнца и магнитным полем Солнца в орбите Земли, прецессии, определяемой изменением магнитного поля самой Земли. В случае взаимодействия изменения магнитного поля Земли с прецессией, определяемой вращением Земли вокруг Солнца, может иметь место прецессия прецессии, имеющая частоту, определяемую движением магнитного поля Земли и изменением его интенсивности.
Если для простоты предположить, что обнаруженное Ливермором с соавторами движение северного магнитного полюса в действительности является круговым, то прецессия прецессии Земли по форме напоминает эпициклы – круговое движение вокруг двигающейся по кругу орбиты. Впервые эпициклы были введены 2 тыс. лет назад Клавдием Птолемеем для объяснения движения планет с учетом гравитации Солнца и других небесных тел.
Когда стало понятно, что, движения любых масс определяются законом всемирного тяготения, теория эпициклов Птолемея была признана ошибочной. Однако в случае прецессии прецессии магнитного поля Земли эпициклы прецессии вращения Земли, а не траектория движения Земли, возможно, являются правильным описанием в достаточно неплохом приближении происходящих изменений оси магнитного поля Земли. Которое, в свою очередь, может оказаться ответственным за изменения климата в масштабах тысячелетий, столетий и десятилетий.
Прецессия прецессии Земли, безусловно, может отвечать за изменение климата в масштабах десятков, сотен и тысяч лет.
Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.
Учёные выясняют почему, вдруг так резко, меняется магнитное поле земли.
Что-то странное происходит на самой верхней точке земного шара. Северный магнитный полюс Земли движется от Канады по направлению к Сибири. Это движение обусловлено перемещениями потоков расплавленного железа в земном ядре. Магнитный полюс движется так быстро, что мировые эксперты по геомагнетизму решили пойти на редко используемые меры.
15 января они планируют обновить Магнитную модель мира. Эта модель описывает магнитное поле планеты и лежит в основе всей современной навигации, от систем, управляющих кораблями в море, до карт Google на смартфонах.
Самая последняя версия модели была принята в 2015 году. Её не планировалось менять до 2020 года — но магнитное поле трансформируется так быстро, что исследователи вынуждены скорректировать эту модель сейчас. «Погрешность навигации постоянно увеличивается», — говорит Арно Шулля (Arnaud Chulliat), специалист в области геомагнетизма из Университета Колорадо в Боулдере (University of Colorado Boulder), сотрудник Национального управления океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) и Национального центра экологической информации (National Centers for Environmental Information), США.
Проблема только частично связана с передвижениями полюса, вторая часть проблемы — это другие движения в ядре планеты. Магнитное поле Земли в основном создаётся движениями потоков расплавленных металлов, и оно меняется по мере того, как меняются эти потоки. В 2016 году, например, часть магнитного поля временно ускорилась [из-за подземных движений] на севере южноамериканского материка и в восточной части Тихого океана. Спутники, такие как миссия Европейского космического агентства Swarm (European Space Agency’s Swarm), уловили этот сдвиг.
К началу 2018 года с магнитной моделью Земли возникли проблемы. Исследователи из NOAA и Британской геологической службы в Эдинбурге (British Geological Survey in Edinburgh) выполняли свою ежегодную проверку, насколько хорошо модель отражает все изменения магнитного поля Земли. И они поняли, что модель была настолько неточной, что вот-вот бы превысила допустимый предел навигационной погрешности.
Учёные работают над тем, чтобы понять, почему магнитное поле так резко меняется. Причинами геомагнитных импульсов, таких как произошедший в 2016 году, могут быть «гидромагнитные» волны, возникающие в глубинах ядра. Быстрое движение северного магнитного полюса может быть связано с потоком жидкого железа под Канадой, передвигающимся на большой скорости.
На заседании Американского геофизического союза Фил Ливермор (Phil Livermore), геофизик из Университета Лидса (University of Leeds), Великобритания, сказал: «Похоже, что поток „размывает“ и ослабляет магнитное поле под Канадой». А это значит, что Сибирь „перетягивает одеяло на себя“».
«Местоположение северного магнитного полюса, по-видимому, определяется двумя большими магнитными подполями, одним под Канадой и одним под Сибирью», — говорит Ливермор. — И сибирское подполе, похоже, побеждает в соревновании».
Это означает, что у геофизиков мира в обозримом будущем будет много работы.
Магнитное поле Земли меняет положение полюсов в 10 раз быстрее, чем считалось
Периоды, когда магнитное поле планеты слабеет и меняет полюса, связывают с массовым вымиранием в прошлом.
Магнитное поле Земли оказалось способным изменять положение полюсов в 10 раз быстрее, чем ранее считалось. Воссоздав активность поля за последние 100 тысяч лет, ученые смогли обнаружить, как именно оно менялось со временем.
Движение расплавленного ядра приводит к тому, что магнитное поле постоянно меняется. Время от времени оно сильно слабеет, а северный и южный магнитные полюса меняются местами. Такие периоды связывают с ростом радиационного фона. Ученые также допускают, что именно в эти периоды произошли глобальные вымирания на Земле в прошлом. Выяснить, когда и почему магнитное поле меняет полярность трудно. Потому что эти события происходят в течение очень долгих периодов.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications Кристофер Дэвис из Школы Земли и окружающей среды в Университете Лидса и Кэтрин Констабл из Института океанографии Скриппса обнаружили, как быстро происходит геомагнитная инверсия. Исследователи совместили компьютерные симуляции механизмов магнитного динамо Земли с недавно опубликованными данными реконструкции изменений поля за последние 100 тысяч лет. Это позволило им определить скорость изменений и событий в магнитном поле за это время.
Предыдущие исследования предполагали, что ежегодное смещение магнитных полюсов составляет всего один градус. Однако, новое исследование указывает на то, что максимальный уровень смещения может достигать до 10 градусов в год. А это почти в 100 раз быстрее, чем нынешние изменения».
Ученые заметили, что полярность магнитного поля сдвинулась на 2,5 градуса 39 тысяч лет назад. Это примерно совпадает с периодом, когда полярность магнитного поля стала противоположной. Во время явления, которое называют событием Лашампа, магнитное поле стало слабее примерно на 5%, чем оно есть сегодня, в результате чего состоялся экскурс магнитных полюсов. Исследователи также обнаружили, что быстрая смена полярности обычно происходят на более низких широтах, где магнитное поле в целом слабее.
Магнитные полюса Земли меняются намного быстрее, чем осознавали ученые
Магнитные полюса Земли меняется в среднем каждые несколько сотен тысяч лет, что означает, что магнитный север становится магнитным югом и наоборот (планета фактически не переворачивается с ног на голову).
Новое исследование предполагает, что это изменение направления может произойти до 10 раз быстрее, чем считалось ранее.
Это большая новость для ученых, изучающих, как сдвиги магнитного поля влияют на жизнь на Земле, как наша планета развивалась с течением времени, и как мы можем лучше предсказать следующее изменение в ближайшие годы.
Предыдущие палеомагнитные исследования показали, что магнитное поле может изменять направление до 1 градуса в год, но последние исследования предполагают, что возможно перемещение до 10 градусов в год.
Это основано на подробном компьютерном моделировании внешнего ядра, состоящего из никеля и железа, на глубине около 2800 километров ниже поверхности Земли.
«Мы обладаем неполными знаниями о нашем магнитном поле», — говорит геофизик Крис Дэвис из Университета Лидса в Великобритании.
«Поскольку эти быстрые изменения представляют собой некоторые из наиболее экстремальных свойств жидкого ядра, они могут дать важную информацию о поведении глубин Земли».
Изменения в магнитном поле нашей планеты оставляют следы в осадочных отложениях, потоках лавы и даже объектах, созданных человеком, хотя все же требуются определенные домыслы, когда речь заходит о том, как это происходит и в какой период времени.
Новые исследования показали, что быстрые изменения направления совпадают с локальным ослаблением магнитного поля. Был особо отмечен один сдвиг: движение на 2,5 градуса 39 000 лет назад, когда магнитное поле Земли было ослаблено вокруг западного побережья Центральной Америки.
«Понимание того, точно ли компьютерное моделирование магнитного поля отражает физическое поведение геомагнитного поля в соответствии с геологическими данными, может быть очень сложным, — говорит Дэвис.
«Но в этом случае мы смогли показать согласованность, как по скорости изменения, так и по общему расположению наиболее экстремальных событий в диапазоне компьютерного моделирования».
Магнитное поле Земли не только помогает нам добраться от точки А до В с помощью компаса, но и защищает нас от воздействия атмосферных воздействий космоса и солнечного излучения. Вы можете не осознавать этого, но магнитные полюса всегда находятся в движении.
Знание о том, как происходят эти сдвиги и перевороты — и с какой скоростью – имеет жизненно важное значение для всего: от перенастройки спутников до реагирования на изменения радиационного воздействия, которые могут возникнуть в результате изменения поля.
«Дальнейшее изучение развивающейся динамики в этих симуляциях предлагает полезную стратегию для изучения, как происходят такие быстрые изменения и обнаруживаются ли они также во времена стабильной магнитной полярности, как сегодня», — говорит Дэвис.
Исследование опубликовано в Nature Communications.
Источники: Фото: (NASA Goddard Space Flight Center/Flickr/CC BY 2.0)