Симуляция объяснила «переворот» магнитных полюсов Земли

Швейцарские и датские геологи предложили объяснение тому, почему магнитные полюса Земли иногда меняют свое направление. По их мнению, это происходит из-за воздействия динамо-волн внутри ядра нашей планеты. Работа исследователей опубликована в журнале Nature.

Ученым давно известно, что магнитное поле Земли может менять свое направление — такое явление называется инверсией. При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами, в то время как географические полюса сохраняют свое положение. Это событие случается довольно редко: согласно исследованиям, последняя длительная инверсия магнитного поля произошла примерно 781 тысячу лет назад. Тем не менее, исследователи не исключают вероятности того, что даже однократное изменение положения магнитных полюсов может нанести вред живым организмам на нашей планете, потому что во время инверсии магнитосфера Земли предположительно ослабевает и поверхность планеты становится уязвимой для космического излучения (однако ученым точно неизвестно,как этот процесс влияет на жизнь на Земле, потому что не установлено сколько длится «переходное» состояние полюсов). Поэтому исследователи стремятся лучше понять причины смены магнитных полюсов Земли.

Инверсия магнитных полюсов, а также само существование геомагнитного поля объясняется эффектом магнитогидродинамическогодинамо. Согласно современным представлениям ученых, в основе самогенерации магнитного поля лежат процессы, происходящие в недрах нашей планеты. Дело в том, что внутренняя часть ядра Земли твердая, горячая и состоит в основном из железа и никеля, в то время как внешняя его часть наоборот жидкая и, скорее всего, содержит еще и более легкие элементы (среди кандидатов сера, кремний, углерод и другие элементы, но точный состав ядра Земли не известен). Более тяжелые элементы во внешнем ядре склонны «тонуть», в то время как легкие элементы наоборот выталкиваются во внешнюю часть — по мнению ученых, этот процесс, а также перепад температур на границах между внутренним и внешним ядром и ядром и мантией является причиной конвективных движений жидкого вещества во внешнем ядре. На эти движения, в свою очередь, влияют кориолисовы силы вращения Земли и прецессия оси вращения, что вызывает различные «водовороты» в ядре и способствует возникновению электрического тока, который, в свою очередь порождает диполь (северный и южный магнитный полюс).

Несмотря на то, что исследователям известна механика магнитогидродинамическогодинамо, до сих пор ученым не удавалось создать модель, которая могла бы объяснить инверсию магнитного поля Земли и при этом реалистично воспроизвести все известные нам свойства ее ядра, включая вязкость и теплопроводность. Однако авторы новой работы решили эту проблему, предположив, что в магнитном поле могут возникать динамо-волны. Они рождаются из-за того, что наша планета вращается вокруг своей оси, и создают мощные глобальные возмущения магнитного поля.

Компьютерная симуляция, в которой учитывалось существование динамо-волн, показала, что положение полюсов Земли будет меняться даже когда вязкость и другие свойства ядра будут приближены к реальным значениям. Однако модель исследователей предсказывает, что это должно происходить каждые несколько тысяч лет, в то время как в реальности никакой периодичности в смене полюсов обнаружено не было. Авторы работы подчеркивают, что характеристики ядра Земли, описанные в симуляции, все еще сильно отличаются от наблюдаемых, поэтому модель лишь указывает на то, что динамо-волны могут играть важную роль в инверсии магнитного поля нашей планеты.

Магнитное поле наблюдается не только у планет, но и у звезд, включая наше Солнце. Недавно астрофизики обнаружили расхождения в поведении звезд с общепринятой моделью солнечного динамо. Их работа указывает на то, что отсутствие тахоклина, считавшегося необходимым для работы динамо, не меняет механизма генерации рентгеновского излучения звездами.

Кристина Уласович