Симуляція пояснила «переворот» магнітних полюсів Землі

Швейцарські та данські геологи запропонували пояснення тому, чому магнітні полюси Землі іноді змінюють свій напрямок. На їхню думку, це відбувається через вплив динамо-хвиль всередині ядра нашої планети. Роботу дослідників опубліковано в журналі.

Вченим давно відомо, що магнітне поле Землі може змінювати свій напрямок - таке явище називається інверсією. При інверсії північний магнітний полюс і південний магнітний полюс міняються місцями, в той час як географічні полюси зберігають своє положення. Ця подія трапляється досить рідко: згідно з дослідженнями, остання тривала інверсія магнітного поля сталася приблизно 781 тисячу років тому. Тим не менш, дослідники не виключають ймовірності того, що навіть одноразова зміна положення магнітних полюсів може завдати шкоди живим організмам на нашій планеті, тому що під час інверсії магнітосфера Землі імовірно слабшає і поверхня планети стає вразливою для космічного випромінювання (однак вченим точно невідомо, як цей процес впливає на життя на Землі, тому що не встановлено скільки триває «перехідний» стан полюсів). Тому дослідники прагнуть краще зрозуміти причини зміни магнітних полюсів Землі.

Інверсія магнітних полюсів, а також саме існування геомагнітного поля пояснюється ефектом магнітогідродинамічного динамо. Згідно з сучасними уявленнями вчених, в основі самогенерації магнітного поля лежать процеси, що відбуваються в надрах нашої планети. Справа в тому, що внутрішня частина ядра Землі тверда, гаряча і складається в основному з заліза і нікелю, в той час як зовнішня його частина навпаки рідка і, швидше за все, містить ще й більш легкі елементи (серед кандидатів сірка, кремній, вуглець та інші елементи, але точний склад ядра Землі не відомий). Більш важкі елементи в зовнішньому ядрі схильні «тонути», в той час як легкі елементи навпаки виштовхуються в зовнішню частину - на думку вчених, цей процес, а також перепад температур на кордонах між внутрішнім і зовнішнім ядром і ядром і мантією є причиною конвективних рухів рідкої речовини в зовнішньому ядрі. На ці рухи, у свою чергу, впливають коріолісові сили обертання Землі і прецесія осі обертання, що викликає різні «водовороти» в ядрі і сприяє виникненню електричного струму, який, у свою чергу породжує діполь (північний і південний магнітний полюс).

Незважаючи на те, що дослідникам відома механіка магнітогідродинамічного динамо, досі вченим не вдавалося створити модель, яка могла б пояснити інверсію магнітного поля Землі і при цьому реалістично відтворити всі відомі нам властивості її ядра, включаючи в'язкість і теплопровідність. Однак автори нової роботи вирішили цю проблему, припустивши, що в магнітному полі можуть виникати динамо-хвилі. Вони народжуються через те, що наша планета обертається навколо своєї осі, і створюють потужні глобальні обурення магнітного поля.

Комп'ютерна симуляція, в якій враховувалося існування динамо-хвиль, показала, що положення полюсів Землі буде змінюватися навіть коли в'язкість та інші властивості ядра будуть наближені до реальних значень. Однак модель дослідників пророкує, що це повинно відбуватися кожні кілька тисяч років, в той час як в реальності ніякої періодичності в зміні полюсів виявлено не було. Автори роботи підкреслюють, що характеристики ядра Землі, описані в симуляції, все ще сильно відрізняються від спостережуваних, тому модель лише вказує на те, що динамо-хвилі можуть грати важливу роль в інверсії магнітного поля нашої планети.

Магнітне поле спостерігається не тільки біля планет, але і у зірок, включаючи наше Сонце. Нещодавно астрофізики виявили розбіжності в поведінці зірок із загальноприйнятою моделлю сонячного динамо. Їх робота вказує на те, що відсутність тахокліну, який вважався необхідним для роботи динамо, не змінює механізму генерації рентгенівського випромінювання зірками.