Pole magnetyczne planety rozciąga się z Ziemi niczym niewidzialne spaghetti. Stworzone przez ubijanie jądra Ziemi, to pole jest ważne w życiu codziennym: osłania planetę przed cząsteczkami słonecznymi, stanowi podstawę nawigacji i mogło odegrać ważną rolę w ewolucji życia na Ziemi.
Ale co by się stało, gdyby jutro pole magnetyczne Ziemi zniknęło? Większa liczba naładowanych cząstek słonecznych bombardowałaby planetę, umieszczając sieci energetyczne i satelity na fritz i zwiększając narażenie ludzi na wyższe poziomy powodującego raka promieniowania ultrafioletowego. Innymi słowy, brakujące pole magnetyczne miałoby konsekwencje, które byłyby problematyczne, ale niekoniecznie apokaliptyczne, przynajmniej w krótkim okresie.
To dobra wiadomość, ponieważ od ponad wieku słabnie. Nawet teraz istnieją szczególnie słabe punkty, takie jak anomalia południowoatlantycka na półkuli południowej, które stwarzają problemy techniczne dla satelitów o niskich orbitach.
Pierwszą rzeczą, którą należy zrozumieć na temat pola magnetycznego jest to, że nawet jeśli osłabnie, nie zniknie - przynajmniej nie przez miliardy lat. Ziemia zawdzięcza swoje pole magnetyczne swojemu stopionemu rdzeniu zewnętrznemu, wykonanemu głównie z żelaza i niklu. Ugniatany rdzeń zewnętrzny jest napędzany konwekcją ciepła uwalnianego, gdy rdzeń wewnętrzny rośnie i zestala się, powiedział John Tarduno, geofizyk z University of Rochester. (Wewnętrzny rdzeń rośnie o około milimetr rocznie).
Ten silnik pola magnetycznego, znany jako dynama, chrupie od miliardów lat. Naukowcy uważają, że obecny układ rdzenia mógł ustabilizować się około 1,5 miliarda lat temu, zgodnie z badaniami z 2015 roku, które wykazały skok w sile pola magnetycznego w tym czasie. Ale Tarduno i jego zespół znaleźli dowody na pole magnetyczne na Ziemi w najstarszych minerałach planety, cyrkonach, datowane na 4,2 miliarda lat wstecz, co sugeruje, że aktywność w rdzeniu od bardzo dawna tworzy magnetyzm.
Tarduno powiedział Live Science, że nie jest jasne, dlaczego dynama się zaczęło, choć możliwe jest, że ogromny wpływ planet, który spowodował powstanie księżyca, mógł być głównym czynnikiem napędzającym. Ten wpływ, który miał miejsce prawdopodobnie 100 milionów lat po zjednoczeniu Ziemi, mógł wstrząsnąć wszelkimi rozwarstwieniami lub warstwami materiałów w jądrze Ziemi: Wyobraź sobie wstrząsanie butelką ropy i wody na skalę planetarną. To zakłócenie mogło promować konwekcję, która wciąż napędza obecnie dynamo Ziemi.
Ostatecznie wewnętrzny rdzeń prawdopodobnie wzrośnie na tyle, że konwekcja w rdzeniu zewnętrznym przestanie być wydajna, a pole magnetyczne przestanie działać. Ale ten scenariusz jest tak odległy, że nie warto tracić dużo snu.
„Rozmawiamy miliardy lat” - powiedział Tarduno.
Osłabienie pola magnetycznego
O wiele bardziej istotne dla życia ludzi jest to, że pole magnetyczne słabnie. Naukowcy mierzą to osłabienie bezpośrednio za pomocą obserwatoriów magnetycznych i satelitów przez ostatnie 160 lat. To, czy pole wcześniej się wahało, jest nieco bardziej mętne, podobnie jak to zrobi dalej. Tarduno powiedział, że pole magnetyczne jest obecnie około 80% dipolarne. Oznacza to, że działa głównie jak magnes prętowy. Gdybyś mógł umieścić opiłki żelaza wokół planety (i usunąć wpływ słońca, które wyrzuca ciągły strumień naładowanych cząstek zwanych wiatrem słonecznym w kierunku Ziemi, dmuchając pole magnetyczne jak długie włosy na wietrze), powstałe pole magnetyczne linie pokazywałyby wyraźną północ i południe. Ale 20% pola jest niepolarne, co oznacza, że jest bardziej skomplikowane; istnieją lokalne odmiany.
W przeszłości pole magnetyczne zmieniało się, zamieniając Północ i Południe. Ostatnie z tych zwrotów nastąpiło 780 000 lat temu, w czasach ery człowiek wyprostowany. Osłabienie pola zwykle poprzedza te przerzuty, co rodzi pytania o to, czy nadejdzie kolejny przerzut. Ale pole czasem również słabnie, a następnie ponownie się wzmacnia bez przewracania, zjawisko zwane wycieczką.
Tarduno i jego zespół odkryli, że dziwny wir w rdzeniu w Południowej Afryce może przyczyniać się do części tej słabości. Ten wir wydaje się powodować anomalię południowoatlantycką, znane słabe miejsce na polu, które rozciąga się na długości około 190 mil (300 kilometrów) na wschód od Brazylii w dużej części Ameryki Południowej. W tym obszarze naładowane cząstki z wiatru słonecznego opadają bliżej niż zwykle do Ziemi. Anomalia południowoatlantycka nie jest szczególnie zauważalna na ziemi. Ale satelity krążące wokół Ziemi napotykają tam bardziej szkodliwe cząsteczki słoneczne, a astronauci, którzy podróżowali przez region na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, zgłosili zjawiska wizualne spadających gwiazd, które prawdopodobnie są powodowane przez stosunkowo wysoki poziom promieniowania na poziomie niskiej orbity Ziemi .
Ziemia bez pól
Tarduno i jego zespół podejrzewają, że zmiany w płaszczu w Afryce Południowej mogły w przeszłości być punktem wyjścia dla odwrócenia pola magnetycznego. Dobrą wiadomością jest to, że nawet jeśli pole słabnie lub przygotowuje się do przerzucenia, nie zniknie; nie ma dowodów, że pole magnetyczne zniknęło całkowicie podczas odwrócenia.
Nawet jeśli pole się odwróci, „nadal będziemy mieli trochę pola magnetycznego; będzie to po prostu bardzo słabe pole magnetyczne”, powiedział Tarduno.
Jak wyglądałby ten świat z minimalnym polem magnetycznym? Twój kompas po prostu nie działał. „Będzie po prostu wskazywać najwyższe pole magnetyczne” - powiedział Tarduno. „Może być bardzo blisko ciebie; może być bardzo daleko”.
Północne i południowe światła byłyby widoczne z niższych szerokości geograficznych, ponieważ te kolorowe pokazy są wynikiem interakcji między naładowanymi cząsteczkami rzucanymi ze słońca na wietrze słonecznym i magnetosfery ziemskiej. Obecnie zorza polarna pojawia się w pobliżu biegunów, podążając za liniami pola magnetycznego głównie północ-południe Ziemi, ale słabsze pole pozwoliłoby cząsteczkom przeniknąć do atmosfery ziemskiej, oświetlając niebo bliżej równika.
Warunki w anomalii południowoatlantyckiej dla satelitów mogą stać się powszechne na całym świecie, co spowodowałoby usterki techniczne. Cząsteczki słoneczne mogą pingować elektronikę, zakłócając bity pamięci w tak zwanych zdenerwowanych pojedynczych zdarzeniach lub SEU. Kiedy cząstki słoneczne oddziałują z naładowaną warstwą ziemskiej atmosfery zwanej jonosferą, wybijają również elektrony z ich orbit molekularnych. Te wolne elektrony zakłócają następnie transmisję fal radiowych wysokiej częstotliwości wykorzystywanych do komunikacji.
Tarduno powiedział, że interakcje między wiatrem słonecznym i ziemską atmosferą mogą również z czasem zniszczyć warstwę ozonową, co zwiększyłoby zbiorową ekspozycję ludzkości na promieniowanie ultrafioletowe i zwiększyłoby ryzyko raka skóry.
„Chociaż prawdopodobnie nie byłoby to katastrofalne dla życia, dawkowanie promieniowania na ziemi byłoby znacznie wyższe bez pola magnetycznego” - powiedział Martin Archer, fizyk z plazmy kosmicznej na Queen Mary University of London.
Istnieje niewiele dowodów na to, że wcześniejsze zmiany pola magnetycznego wpłynęły na życie na Ziemi. Mimo to pole magnetyczne niewątpliwie ukształtowało powierzchnię Ziemi, pomagając uchronić kruchą atmosferę planety przed wysadzeniem w kosmos z powodu nieustającej siły wiatru słonecznego, powiedział Archer dla Live Science.
Pole magnetyczne nie ma decydującego znaczenia dla posiadania atmosfery - Wenus nie ma pola magnetycznego i ma masywną, choć niepożądaną atmosferę - ale z pewnością działa jako dodatkowa warstwa ochronna. Mars, który kiedyś miał pole magnetyczne, ale stracił je około 4 miliardów lat temu, prawie całkowicie pozbawił atmosferę. A gdyby istniał sposób, aby nadać księżycowi atmosferę podobną do Ziemi, wiatr słoneczny zniszczyłby ją na nic w ciągu zaledwie stulecia, powiedział Archer.
