Почему у Земли есть магнитные полюса

Земля уникальна в Солнечной системе по ряду причин: это единственная планета с пригодной для дыхания кислородной атмосферой, она покрыта жидкой водой и это единственное известное нам небесное тело, на котором есть жизнь. Однако есть еще одна часто упускаемая из виду особенность, которая делает нашу планету особенной – это единственное твердое тело в нашей Солнечной системе с сильными магнитными полюсами.

Но откуда берутся эти полюса и что они делают? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте начнем с путешествия к центру нашей планеты.

Ядро Земли разделено на два слоя: твердое внутреннее ядро и внешнее ядро из расплавленного металла. Оба слоя состоят из смеси магнитного железа и никеля с некоторыми примесями более легких элементов, таких как кислород, кремний и сера.

Внутреннее ядро чрезвычайно плотное и горячее, как гигантский раскаленный мрамор. Но внешнее ядро жидкое, и оно вращается вокруг этой твердой массы своим собственным конвективным потоком. Именно эта постоянная конвекция создает магнитное поле Земли, поясняет Джон Тардуно, геофизик из Университета Рочестера в Нью-Йорке.

Поскольку тепло от внутреннего ядра непрерывно излучается во внешнее ядро, оно встречается с материалом, охлажденным тектонической активностью плит. Этот цикл вызывает конвекцию, порождая так называемую геодинамику, которая создает магнитное поле.

Другие планеты, такие как Марс и Венера, не имеют магнитных полей, отчасти потому, что на них отсутствует тектоника плит. Данные свидетельствуют о том, что на этих планетах, возможно, когда-то существовали самоподдерживающиеся геодинамические процессы, но они прекратились по неизвестным причинам. У Меркурия есть слабое магнитное поле, но оно составляет всего 1,1% от земного и мало что делает для защиты планеты от солнечной радиации.

Поскольку жидкий металл во внешнем ядре Земли течет, его движение и высокое содержание железа заставляют планету действовать как огромный диполярный магнит с одним отрицательно заряженным полюсом и одним положительно заряженным полюсом. Около 80% магнитного поля Земли организовано таким образом, но оставшиеся 20% не являются диполярными; вместо того, чтобы формировать параллельные полосы магнитной силы, есть определенные области, где поле закручивается и водоворотится", - рассказывает Тардуно.

Эти нерегулярные структуры создают странные участки в магнитном поле — такие места, как Южно-Атлантическая аномалия, большая полоса Атлантического океана, где интенсивность магнитосферы Земли резко падает.

Исследователи думают, что эта "вмятина" в магнитном поле возникает из-за необычной тектонической активности под Африкой. Такие области, как Южно-Атлантическая аномалия, завораживают, но они также вызывают беспокойство по нескольким причинам.

"Магнитосфера подобна защитной оболочке", - рассказывает Джошуа Файнберг, геолог, специализирующийся на палеомагнетизме в Университете Миннесоты. Она помогает отводить огромное количество опасной солнечной радиации от Земли, действуя как слой солнцезащитного крема по всей планете. В районах, где магнитосфера слабая, просачиваются дополнительные дозы радиации, что потенциально способствует более высокому уровню заболеваемости раком кожи.

"Еще одна проблема - это влияние на спутники", - добавляет Тардуно. Вспышки солнечного излучения могут вывести из строя спутники и другие космические аппараты, если они не защищены магнитным полем Земли. Это может иметь катастрофические последствия для телекоммуникаций, доступа в Интернет и служб GPS в районах, подверженных аномалиям.

Согласно статье 2020 года, опубликованной в журнале PNAS, Южно-атлантической аномалии может быть 11 миллионов лет, и это может быть связано с другим явлением планетарного магнитного поля: сменой полюсов.

История магнитного поля Земли записана в древних потоках лавы и глубоководных отложениях. Эти типы скалистого материала богаты фрагментами магнитных металлов, такими как крошечные кусочки железа, которые ориентируются вдоль линий магнитного поля. 

Из этих записей ученые знают, что магнитные полюса нашей планеты дрейфуют с течением времени. В настоящее время географический Северный полюс находится примерно в 500 километрах от соответствующего магнитного полюса (который на данный момент технически является южным магнитным). И примерно каждые 300 000 лет полюса внезапно переворачиваются, меняя север и юг.

Однако палеогеомагнитные данные показывают, что полной смены полюсов не происходило примерно 780 000 лет. Некоторые исследователи полагают, что это означает, что нас ожидает переворот и сила Южноатлантической аномалии может указывать на то, что один из них близок.

Если полюса поменяются местами, магнитное поле Земли снизится на 20%, возможно, на столетия. Такое событие приведет нашу нынешнюю глобальную систему коммуникаций в хаос.