Ziemskie pole magnetyczne i wędrujące bieguny

Wyobraź sobie magnes sztabkowy wewnątrz Ziemi, mniej więcej wyrównany z osią, gdzie końce tego magnesu leżą blisko geograficznych biegunów północnego i południowego planety. Linie pola magnetycznego biegną od północnego bieguna magnesu, zawracając dookoła i wracając w kierunku bieguna południowego. Na każdym biegunie linie pola magnetycznego są prawie pionowe.

Chociaż na pewno nie ma paska magnetycznego wewnątrz Ziemi, to samo zjawisko zachodzi wokół Ziemi, tworząc obszar ochronny wokół całej planety zwany magnetosferą, według NASA. Ziemska magnetosfera chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i wiatrem słonecznym oraz jest odpowiedzialna za piękne zorze polarne widoczne na wysokich szerokościach geograficznych półkul północnej i południowej.

Ziemskie bieguny magnetyczne i geograficzne znajdują się naprzeciw siebie. Innymi słowy, południowy biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w rzeczywistości w pobliżu geograficznego bieguna północnego. Kiedy więc używamy kompasu do określenia naszej lokalizacji, igła kompasu w rzeczywistości wskazuje na południowy biegun magnetyczny na półkuli północnej i w kierunku północnego bieguna magnetycznego na półkuli południowej.

Bieguny magnetyczne nie są ustalone i wędrują trochę po powierzchni planety w odniesieniu do biegunów geograficznych. Około 75% natężenia pola magnetycznego Ziemi jest reprezentowane przez „pasek magnetyczny”. Pozostałe 25 procent natężenia pola magnetycznego Ziemi, które można traktować jako poruszające się wokół mniejszych magnesów sztabkowych, pochodzi z mniejszych części poruszającej się magmy i może być tym, co umożliwia poruszanie się biegunów.

Na podstawie danych opublikowanych przez Krajowe Centra Informacji Środowiskowej w lutym 2019 r. Magnetyczny biegun północny znajduje się na 86,54 N 170,88 E, na Oceanie Arktycznym, kierując się z Kanady w kierunku Syberii. Magnetyczny biegun południowy znajduje się na 64,13 S 136,02 E, tuż przy wybrzeżu Antarktydy w kierunku Australii.

Skąd się wzięło pole?

Choć wciąż pozostaje trochę tajemnicą, naukowcy ogólnie zgadzają się, że pole magnetyczne Ziemi zaczyna się głęboko w jądrze planety. Zewnętrzne jądro planety składa się ze stopionych metali, głównie żelaza, które jest przewodnikiem.

„Ubijający się, stopiony metal w rdzeniu zewnętrznym generuje pole [magnetyczne] za pomocą tak zwanego działania dynamo” - powiedział Aleksey Smirnov, profesor geofizyki z Michigan Technological University.

Działanie dynama lub teoria dynama opisuje sposób, w jaki planeta może utrzymywać pole magnetyczne. Dynamo, czyli źródło pola magnetycznego, jest tworzone przez wirujący, konwekcyjny i przewodzący prąd elektryczny materiał, taki jak stopione żelazo wewnątrz Ziemi.

„Wokół krąży wiele zjonizowanych atomów i wolnych elektronów, a ponadto we wnętrzu zachodzi złożona forma konwekcji, połączona z naturalną rotacją Ziemi - istnieje wiele ładunków ruchomych” - powiedział Doug Ingram, fizyk i profesor astronomii na Texas Christian University.

Naukowcy uważają, że ładunki tworzone przez poruszający się materiał metaliczny poruszają się wokół równikowego regionu Ziemi ruchem okrężnym, który generuje północne i południowe bieguny magnetyczne na powierzchni, powiedział Ingram..

Dlaczego bieguny się poruszają?

Dynamo Ziemi jest trwałe, ale niestabilne. W tej chwili pole magnetyczne szybko się zmienia, a magnetyczny biegun północny gwałtownie przeskakuje w kierunku Syberii. Od lat 90. XX wieku magnetyczny biegun północny przesuwa się średnio o około 35 mil (55 km) rocznie, według badania z 2019 roku opublikowanego w czasopiśmie Nature..

Według Smirnova, zaburzenia w przepływającej, metalicznej magmie mogą być przyczyną niestabilności pola magnetycznego, które mogą prowadzić do takich przesunięć biegunów. Ruch płynnego żelaza głęboko pod Kanadą może nieznacznie osłabić pole magnetyczne w tym miejscu, co pozwala północnemu biegunowi magnetycznemu na przemieszczenie się w kierunku Syberii, stwierdza artykuł w Nature..

Inne anomalie elektromagnetyczne można zobaczyć na całym świecie, na przykład w południowej Afryce, gdzie zaburzenie pola magnetycznego, podobne do wiru w strumieniu, może być spowodowane przez gęstszą część płaszcza w pobliżu granicy z płynnym zewnętrznym jądrem planety.

Historia przesunięcia i odwrócenia bieguna

Chociaż bieguny nieustannie się przesuwają, według NASA uległy one również całkowitemu odwróceniu co najmniej kilkaset razy w ciągu ostatnich 3 miliardów lat. Podczas tego procesu, który zwykle ma miejsce co 200 000 do 300 000 lat w ciągu 100 do kilku tysięcy lat, pole magnetyczne zostaje zgniecione i pociągnięte, a wiele biegunów wyrasta losowo na powierzchni Ziemi. Ostatnie pełne odwrócenie nastąpiło około 780 000 lat temu.

Historia pola magnetycznego, w tym przesunięcia i odwrócenia, jest udokumentowana w zapisie geologicznym. Metale występujące w skałach, w tym żelazo, wyrównują się z polem magnetycznym, zanim stopione skały zestalą się lub jako fragmenty zawierające metale magnetyczne zrównane z polem magnetycznym i osadzone w warstwach skał osadowych.

„Ponieważ Ziemia jest dynamicznym i ciągle zmieniającym się miejscem, nowe skały i ich zapisy magnetyczne były nieustannie generowane przez cały okres geologiczny” - powiedział Smirnov, dodając, że zapisy te można zachować przez miliony lub miliardy lat.

Podobne rekordy znajdują się na dnie Oceanu Atlantyckiego, gdzie stale tworzy się nowe dno morskie na grzbiecie środkowoatlantyckim.

„Gdy lawa wypływa na powierzchnię [przez długą szczelinę tworzącą grzbiet], jest stopiona, a cząsteczki żelaza zawieszone w lawie orientują się w kierunku dominującego pola magnetycznego Ziemi” - powiedział Ingram. Gdy lawa zestala się, blokuje złoża metalu na miejscu, tworząc w ten sposób historyczny zapis przesunięć i odwrotności pola magnetycznego Ziemi.

Co te wędrujące i przewracające się bieguny oznaczają dla życia na naszej planecie? Według NASA nie ma drastycznych zmian w zapisie kopalnym dla życia roślin lub zwierząt, zarówno podczas zmian, jak i odwrócenia, co sugeruje, że wpływ zmiany bieguna na życie jest minimalny. Chociaż wśród naukowców istnieją spekulacje, że w okresach zmniejszonego natężenia pola magnetycznego więcej promieniowania kosmicznego mogło dotrzeć do powierzchni Ziemi i spowodować zwiększone tempo mutacji genetycznych, a tym samym przyspieszyć ewolucję, powiedział Smirnov..

Dodatkowe zasoby:

• Obejrzyj tę fajną wizualizację ziemskiej magnetosfery z naukowego laboratorium wizualizacji NASA.
• Dowiedz się o misji Magnetospheric Multiscale NASA, aby zrozumieć, w jaki sposób pola magnetyczne wokół Ziemi łączą się i rozłączają.
• Sprawdź te mapy historycznych lokalizacji wędrujących biegunów magnetycznych z Narodowych Centrów Informacji Środowiskowej.