Север станет Югом: что будет, если магнитные полюса Земли поменяются местами

Магнитное поле окружает Землю и защищает всё живое от смертельной космической радиации. Однако этот мощный барьер не статичен; в его истории были моменты, когда северный и южный магнитные полюса менялись местами, ослабляя магнитный щит. Рассказываем, как такое возможно и каким образом инверсия магнитных полюсов может изменить Землю.

Что такое магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли, или геомагнитное поле, — это сложный и динамичный феномен, действие которого простирается от недр планеты далеко в космос. Его происхождение объясняет общепринятая теория динамо. Согласно ей, поле генерируется в жидком внешнем ядре Земли в ходе процесса, называемого геодинамо. В этой системе вращающаяся, конвективная и электропроводящая жидкость способна поддерживать магнитное поле в течение очень долгого времени.

Для работы динамо-машины необходимы три главных условия:

• Электропроводящая жидкая среда. В случае Земли это расплавленное железо в её внешнем ядре.
• Кинетическая энергия от вращения планеты. Вращение Земли создаёт эффект Кориолиса, который организует потоки расплавленного металла в упорядоченные вихри. Эти вихри, в свою очередь, генерируют электрические токи, поддерживающие магнитное поле.
• Внутренний источник энергии. Тепло, идущее от внутреннего ядра, и процесс его постепенного затвердевания обеспечивают энергию для этих конвективных движений.

Проще говоря, любое слабое магнитное поле во внешнем ядре создаёт токи в движущейся жидкости. Эти токи затем генерируют дополнительное магнитное поле, усиливая первоначальное в непрерывном цикле. Эта сложная, самоподдерживающаяся система объясняет, почему поле постоянно меняется и почему инверсии так трудно предсказать.

Зачем оно нужно

Магнитное поле играет жизненно важную роль в защите планеты. Оно отклоняет большую часть заряженных частиц солнечного ветра и высокоэнергетических космических лучей. Без этого щита, называемого магнитосферой, постоянная бомбардировка солнечным ветром разрушила бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой, который защищает поверхность от вредного ультрафиолетового излучения. Наглядный пример — Марс, который потерял большую часть своей атмосферы после того, как его магнитное поле рассеялось.

© Naeblys/iStock.com

Схематичное изображение того, как солнечный ветер обтекает магнитосферу Земли

Кроме того, поле важно для навигации. Люди используют компасы с XI века. Многие живые организмы — от бактерий до птиц, китов и морских черепах — используют магнитное поле для ориентации и навигации во время миграций с помощью так называемой магниторецепции.

Озоновая дыра затягивается? Что на самом деле происходит с защитным слоем планеты

Что такое инверсия и откуда учёные о ней узнали

Геомагнитные инверсии — это не внезапные события, а длительные геологические процессы. Они происходят не мгновенно, а в течение тысяч лет. Продолжительность полной инверсии может занять от 2 до 12 тысяч лет. Сам процесс обычно включает три стадии:

1. Снижение интенсивности. Сила магнитного поля значительно падает на 90% от нормы.
2. Многополярность. Поле усложняется, и на планете может временно существовать более двух полюсов. На этой стадии могут происходить «экскурсии», когда поле ненадолго меняет полярность, а затем возвращается в исходное состояние. Примером служит экскурс Лашамп, который произошёл около 41,5 тысяч лет назад и длился менее тысячи лет.
3. Окончательная инверсия. Магнитное поле восстанавливает свою силу и выравнивается в противоположном направлении.

В настоящее время сила магнитного поля Земли снижается: за последние 3000 лет оно потеряло 30% своей интенсивности, а с 1830-х годов — 10%. Некоторые учёные считают это признаком приближающейся инверсии или экскурсии. Однако предсказать, когда именно произойдёт следующая полная инверсия, чрезвычайно сложно.

Доказательства из прошлого: палеомагнетизм

Знания учёных о прошлых инверсиях основаны на изучении палеомагнетизма. Эта наука исходит из того, что определённые горные породы и отложения сохраняют запись о магнитном поле Земли в момент их образования. Когда породы, такие как лава, остывают и затвердевают, магнитные минералы в них выстраиваются в соответствии с направлением окружающего поля, и это выравнивание «навечно зафиксировано в породе».

Ключевые доказательства исследователи получили при изучении расширения морского дна. По мере образования новой океанической коры на срединно-океанических хребтах, остывающая лава записывает полярность магнитного поля. Это создаёт характерные «полосы» чередующейся полярности по обе стороны от хребтов. Геологические материалы, по сути, превращаются в «магнитофон», который хранит историю магнитного поля Земли. Изучая эти записи, учёные установили, что последняя полная инверсия, известная как Брюнес-Матуяма, произошла около 780 тысяч лет назад. Но в истории Земли были и невероятно долгие периоды стабильности, например, Меловой нормальный суперхрон, который длился примерно 37 миллионов лет без единой инверсии.

Что будет, если инверсия произойдёт сейчас

Геомагнитные инверсии — это естественные процессы, которые не вызывают катастрофических геологических событий. Нет никаких научных доказательств, связывающих их с землетрясениями, извержениями вулканов или смещением оси вращения Земли. Землетрясения вызваны движением тектонических плит — процессом, не зависящим от магнитного поля.

Биосфера Земли успешно пережила сотни таких событий. Нет свидетельств, которые бы указывали на связь между массовыми вымираниями и инверсиями. Даже в периоды ослабления магнитного поля атмосфера Земли обеспечивает защиту от радиации на поверхности. Таким образом, прямой катастрофической угрозы для жизни человека от инверсии нет.

Угроза для технологий

Хотя для жизни на поверхности угроза минимальна, современное общество, зависимое от технологий, при инверсии столкнётся с серьёзными проблемами.

Ослабление щита

Во время инверсии сила магнитного поля на поверхности может ослабнуть на 90%. Это означает, что гораздо больший поток солнечной и космической радиации будет достигать атмосферы Земли и, возможно, её поверхности. Это также может привести к усиленной потере озона в атмосфере и истончению озонового слоя.

Хорошим примером ослабленного поля служит Южно-Атлантическая аномалия — обширная область, где поле сейчас примерно в три раза слабее, чем на полюсах. Пролетающие через неё спутники постоянно испытывают сбои из-за повышенной радиации. Эта аномалия может служить предвестником того, что произойдёт в глобальном масштабе во время инверсии.

© Wikimedia Commons

Моделирование NASA, показывающее образование нескольких полюсов при инверсии магнитного поля

Последствия для электроники

Современные технологии уязвимы к усиленным эффектам космической погоды при ослабленном магнитном поле. Вот несколько примеров:

• Спутники. Аппараты, обеспечивающие GPS, связь и прогноз погоды, чувствительны к повреждениям от радиации, что может привести к сбоям в навигации и глобальной связи.
• Электросети. Солнечные бури могут вызывать геомагнитно-индуцированные токи (ГИС) в линиях электропередачи. Эти токи способны повредить или разрушить трансформаторы, что приведёт к масштабным и длительным отключениям электроэнергии. Отключение в Квебеке в 1989 году, когда шесть миллионов человек остались без света на девять часов из-за геомагнитной бури, служит историческим прецедентом.
• Другая инфраструктура. Быстро меняющиеся поля могут также индуцировать токи в трубопроводах, увеличивая скорость их коррозии, и влиять на железнодорожные системы. Восстановление после такого события может быть долгим и экономически разрушительным, поскольку замена, например, высоковольтных трансформаторов может занять от 12 до 18 месяцев.

Повышенный уровень радиации

Хотя атмосфера хорошо защищает поверхность, при инверсии некоторые люди станут получать болшую дозу радиации. Для людей на земле средний годовой уровень облучения составляет около 0,33 мЗв, и учёные считают, что при инверсии это значение увеличится незначительно. Однако для космонавтов в космосе, особенно за пределами низкой околоземной орбиты, дозы радиации от солнечных частиц могут стать «потенциально смертельными». Пассажиры и экипажи самолётов на высотных рейсах, особенно на полярных маршрутах, также столкнутся с повышенным облучением. Если обычный трансконтинентальный перелёт даёт дозу около 0,035 мЗв, то на полярных маршрутах во время инверсии она может значительно вырасти. Авиакомпаниям, возможно, придётся корректировать маршруты или ограничивать время полётов для минимизации рисков.

Животные

Многие мигрирующие животные полагаются на магниторецепцию для навигации, и инверсия может нарушить эту способность. Птицы, киты, морские черепахи и даже пчёлы обладают чувством, которое позволяет им определять магнитное поле Земли. Они используют его для определения направления и своего местоположения.

Ослабленное или смещающееся поле может нарушить эти навигационные способности. Например, солнечные бури, искажающие поле, связывают с выбросами китов на берег, что предполагает нарушение их магниторецепции. Хотя животные пережили прошлые инверсии, у учёных нет единого мнения, как они справятся с будущей. Ключевой вопрос заключается в том, превысит ли скорость изменения поля их способность к адаптации, особенно для видов с длительным временем смены поколений.

Стоит ли бояться смены магнитных полюсов Земли

Геомагнитная инверсия — это естественный и повторяющийся процесс, который не приводил в прошлом к глобальным катастрофам или массовым вымираниям. Однако этот древний природный процесс представляет новую серьёзную угрозу для современного общества, зависимого от технологий.

Главные риски связаны с ослаблением магнитного щита, что может привести к выводу из строя спутников, нарушению GPS, связи и масштабным сбоям в электросетях. Это может повлечь за собой каскадные системные отказы с длительным периодом восстановления. Гораздо хуже при таком сценарии придётся космонавтам и тогда для безопасных космических миссий придётся значительно улучшить радиационную защиту кораблей. Но если в ближайшей перспективе вы не собираетесь покидать Землю, смена магнитных полюсов планеты не несёт для вас никаких рисков.