Сильное сжатие на северном полюсе что это
Северный магнитный полюс стремится в Сибирь. Что это значит?
В отличие от географических полюсов, магнитные имеют свойство свободно гулять на десятки километров в год. В 2019 году это движение было столь быстрым и неожиданным, что ученым, которые отвечают за Всемирную магнитную модель, пришлось экстренно корректировать представление магнитного поля Земли. Скорость смещения за последние 20 лет выросла с 15 километров в год до 55. Чем грозит столь быстрый дрейф магнитного полюса?
В смещении северного магнитного полюса ничего необычного нет. Когда в ходе экспедиции в 1821 году впервые обнаружили непосредственную точку, куда указывает компас, она находилась на полуострове Бутия в канадской Арктике. Через 70 лет норвежец Амундсен заново открыл северный магнитный полюс в 50 километрах от первой локации. Следующие 90 лет полюс мигрировал на север со скоростью примерно 15 километров в год.
А вот в 1990-х движение точки, в которую указывают все наши компасы, только ускорялось. К 2017 году эта точка преодолела географический Северный полюс и продолжает двигаться в сторону Сибири и полуострова Таймыр. За это время скорость перемещения выросла в четыре раза и сейчас составляет 50—60 километров в год.
«К 2040 году все компасы, вероятно, будут указывать восточнее истинного севера, — рассказывал ученый Кьяран Бегган из Британской геологической службы, которая отслеживает перемещение северного магнитного полюса. — Последние 350 лет магнитный север скитался по одной и той же части Канады».
Геологическая служба совместно с коллегами из США занимается сбором информации для Всемирной магнитной модели — крупномасштабного пространственного представления магнитного поля Земли.
Эта магнитная оболочка вокруг нашей планеты защищает все живое от смертоносного и разрушительного солнечного излучения. Не будь ее, Земля сегодня могла бы выглядеть как Марс: солнечный ветер сдул бы живительную атмосферу и лишил планету океанов и растительности.
Во время экспедиций автоматических аппаратов к Марсу было выявлено, что магнитное поле этой планеты обладает напряженностью в 500 раз слабее земного. Оно крайне неустойчивое.
Инверсия полюсов
Магнитное поле Земли также может ослабевать в случаях, когда происходит инверсия: северный и южный магнитные полюсы меняются местами, а стрелка компаса начинает указывать в противоположном направлении. За историю существования человека как живого вида такого не случалось.
Однако в истории планеты инверсии магнитного поля бывали, и случалось это не раз. За последние 80 млн лет ученые насчитали 183 таких разворота. И носили они статистически абсолютно случайный характер, никаких закономерностей или периодичности ученые в ходе изысканий не обнаружили.
При этом сильно различаются и оценки того, насколько быстро происходили подобные развороты. Некоторые специалисты подсчитали, что в среднем на завершение разворота нужно 7 тыс. лет. Последний разворот, который имел место 780 тыс. лет назад, произошел за 22 тыс. лет, как считают ученые.
Хотя бывали и случаи, когда разворот случался всего за несколько сотен лет. Так было, например, в конце последнего ледникового периода, примерно 41 тыс. лет назад. Речь про событие, которое получило название палеомагнитного экскурса Лашамп-Каргаполово. Это была не полная инверсия, а экскурс: полярность сменилась, но магнитное поле вскоре восстановило прежнюю полярность.
Немецкий исследовательский центр наук о Земле в 2012 году опубликовал работу, посвященную этому событию. Ученые писали, что 41 тыс. лет назад компас в районе Черного моря указывал на юг. Как об этом узнаю́т? По анализу намагниченности океанических отложений и лавовых потоков.
«Геометрия поля обратной полярности с силовыми линиями, ориентированными в противоположном направлении по сравнению с сегодняшней конфигурацией, просуществовала всего около 440 лет, и это было связано с напряженностью поля, которая составляла только четверть от сегодняшней», — рассказывал один из ведущих авторов работы Норберт Новачик.
Фактическая смена полярности длилась всего 250 лет. С точки зрения геологических масштабов времени это очень быстро.
В этот период магнитное поле было еще слабее — всего 5% от его нынешней напряженности. Как итог, Земля почти полностью лишилась своего экрана, защищающего ее от жестких космических лучей, значительно выросло радиационное воздействие. Это подтверждается пиками радиоактивного бериллия, который был обнаружен в кернах льда, извлеченных из ледникового щита в Гренландии. Они возникли в результате столкновения высокоэнергетических протонов с атомами в атмосфере планеты.
Ученые отмечают, что в последние 200 лет магнитное поле Земли уменьшилось примерно на 10%. Вкупе с ускорившимся дрейфом северной точки можно было бы спекулировать о том, что грядет смена магнитных полюсов планеты. Однако процесс этот может быть столь долгим, что к моменту полной инверсии человеческая цивилизация будет выглядеть совершенно иначе.
Но падение напряженности магнитного поля, которое сопровождает инверсию, делает Землю менее защищенной от враждебного космического излучения. Вскоре после того, как были составлены первые хронологические карты инверсий, ученые начали сопоставлять их с известными массовыми вымираниями на планете.
И действительно, некоторые периоды инверсий совпадали с периодами геологических катастроф и значительным сокращением биоты. Но из-за крайней сложности подобных исследований и недостатка информации обнаружить какие-либо четкие взаимосвязи практически невозможно. Ведь инверсия может быть не причиной, а следствием подобного вымирания, которое началось в результате падения крупного астероида, последовавшей вулканической активности и инверсии.
Что известно точно, так это то, что смещение северного магнитного полюса будет означать и смещение полярных сияний. Кто знает, где будут наблюдать их в ближайшие тысячи или сотни лет.
Почему магнитный полюс дрейфует?
Чем ученые объясняют смещение северного магнитного полюса? Надо понимать, что магнитное поле создается благодаря богатому железом ядру планеты, которое находится в постоянном вращении. Как у любого магнетика, у него есть юг и север. Магнитный полюс — это место, где поле проходит перпендикулярно поверхности Земли и где свободно вращающаяся магнитная стрелка будет указывать ровно вниз.
Из учебников физики мы знаем, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс и выходят из северного. Так что с точки зрения науки на севере у нас на самом деле находится южный магнитный полюс, а на юге — северный. Но земляне договорились отказаться от этой условности, чтобы избежать путаницы. Так что давайте перевернем страницу и забудем этот шаг в сторону от повествования.
Филип Ливермор с коллегами из Университета Лидса в Великобритании в относительно свежей научной работе пришли к выводу, что движение магнитного полюса на севере связано с «перетягиванием каната» между двумя участками отрицательного магнитного поля под Канадой и Сибирью. В последние годы канадское пятно значительно ослабло, что позволило сибирскому потянуть полюс в своем направлении. В следующий десяток лет полюс продолжит двигаться в сторону Сибири и пройдет расстояние в 660 километров.
«В период с 1999 по 2019 год на сибирском пятне наблюдалось незначительное усиление, а на канадском участке значительно снизилось абсолютное значение», — комментирует Ливермор.
Команда ученых смоделировала это изменение напряженности, чтобы выяснить, что за изменения в ядре Земли их вызвали, и пришли к выводу, что примерно в 1970-х годах в ядре произошло изменение потока жидкого железа.
В последние 7 тыс. лет северный магнитный полюс хаотично перемещался вокруг географического, следуя непредсказуемым потокам железа в ядре. И куда бы он ни двинулся сейчас, можно с уверенностью сказать, что вряд ли он останется там надолго.
Читайте также:
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Есть о чем рассказать? Пишите в наш Telegram-бот. Это анонимно и быстро
Сибирская сила. Что на самом деле сдвигает «северный» магнитный полюс
Где-то глубоко под Канадой расположен особо важный гигантский сгусток раскалённого железа, который сотни тысяч лет обеспечивал планете стабильный магнитный щит. А вот теперь за считаные десятилетия он просто раздробился надвое. Так что скоро всё перевернётся с ног на голову?
Вообще-то, сейчас всё и так вверх дном. То есть давайте всё-таки определимся, что на сегодняшний день уже эдак 780 тысяч лет на севере, в краю белых медведей, находится ЮЖНЫЙ магнитный полюс Земли. Дело обстоит примерно так. Все магниты на свете устроены одинаково: они создают вокруг себя такое силовое поле, в котором постоянно движутся электрические заряды, и мчатся они не как-нибудь, а в строго определённом направлении. А именно северным полюсом и, стало быть, буквой N (North — север) принято обозначать то место, откуда эти заряды всё время вылетают. Они вылетают во всех направлениях, а далее как бы огибают магнит и входят в него с обратной стороны. Эта обратная сторона, соответственно, считается югом — S (South).
Так вот. Земля — это тоже магнит, и у этого магнита электрические заряды идут из Антарктиды к экватору и далее до самой Арктики, где и возвращаются на круги своя. То есть магнитный север находится там, где пингвины.
На самом деле это очень просто. В компасе тоже есть магнит, и N написано как раз там, откуда берёт в нём своё начало круговорот силовых линий. Самое главное при этом — помнить, что одинаковые магнитные полюса, они что? Правильно, отталкиваются. А разные притягиваются. И компас указывает нам направление благодаря тому, что полюсы исполинского магнита в недрах Земли притягивают к себе свои полные противоположности. Буква N компаса действительно указывает примерно в сторону географического Северного полюса Земли, туда, где Северный Ледовитый океан. Но она указывает туда потому, что стремится к букве S нашей планеты. Сами посудите: было бы наоборот, N смотрела бы в другую сторону.
Теперь следующий вопрос. За какие грехи нам такая путаница? Географический полюс — там, магнитный — сям, а есть ведь ещё геомагнитный, и он вообще в третьем месте. В общем, так: географические полюсы — это места, через которые проходит воображаемая ось вращения Земли. Насчёт магнитных мы уже примерно поняли: очевидно, магнит внутри планеты мало того что стоит на голове, он ещё и не строго по линии оси расположился. А геомагнитный — это условная точка, где, ПО ИДЕЕ, мог бы находиться магнитный полюс в соответствии с принятой научной моделью земной магнитосферы. То есть он, может, и был бы там, если бы земной магнит был, скажем, идеально ровным и с ним никогда ничего не происходило.
Но на самом деле в недрах планеты постоянно что-то творится. Особенно в последнее время. Вот, к примеру, на карте внизу точка с надписью «1831» — это мыс Аделаида на полуострове Бутия в канадских арктических широтах. Именно там в 1831 году британский военный моряк Джеймс Росс вместе со своим дядей капитаном Джоном Россом зафиксировали строго вертикальное направление силовых линий магнитного поля Земли. Для этого использовали особый прибор под названием инклинатор — вы можете видеть его на портрете Джеймса Росса (чуть ниже). В нём магнитная стрелка особым образом свободно подвешена вертикально и под действием земного магнетизма располагается под тем или иным углом. Где угол ровно 90 градусов, там и есть полюс. Британцы тогда задокументировали 89°59′. В историю это вошло как открытие СЕВЕРНОГО магнитного полюса просто потому, что находится он на севере. А с точки зрения физики, повторимся, он южный.
Смещение магнитного полюса Земли в северных широтах. Фото © Wikipedia
Портрет британского исследователя Джеймса Кларка Росса. Фото © Wikipedia
Позднее на карту нанесли результаты последующих экспедиций — 1904 года, 1948-го и так далее. И, как мы видим, магнитный полюс явно куда-то уплывает. Самое недавнее наблюдение состоялось в 2007 году. С тех пор расчёты ведутся на основании научного моделирования. Как мы помним, мир встал на уши в декабре 2019 года после публикации Национального управления океанических и атмосферных исследований США. Тогда учёные показали обновлённую всемирную магнитную модель. На основании имеющихся данных исследователи составили маршрут путешествия магнитного полюса по северным широтам планеты. Примечательно, что он практически идеально совпадает с точками, где в разные годы действительно фиксировали магнитный полюс. Исходя из этой картины получается, что в ближайшие десятилетия он будет неуклонно двигаться к российским берегам со скоростью примерно 40 километров в год и к середине столетия достигнет Сибири.
По большому счёту природа магнитного поля Земли и вообще планет остаётся не до конца разгаданной загадкой. Пока что самой убедительной считают теорию геодинамо. Выглядит она примерно так. В самом сердце планеты находится твёрдое ядро диаметром где-то 2600 километров. Это внутреннее ядро. А вокруг него слой расплавленного железа почти такой же толщины — внешнее ядро. В этой раскалённой жиже происходит конвекция, то есть более горячие потоки постоянно стремятся наружу, закручиваются в гигантские спирали, трутся друг о друга и тем самым создают электрические заряды. А где ток, там и магнитное поле.
Благодаря возможностям современной науки учёные могут наблюдать за поведением отдельных участков жидкого земного ядра. В частности, они убеждены, что под Канадой расположен внушительный сгусток расплавленного вещества в виде «лепестка», а ещё один находится в недрах под Сибирью. Так вот, по данным опубликованного исследования, за последние 20 лет канадский «лепесток» сначала сильно вытянулся, а потом и вовсе раздвоился. Соответственно, каждая из образовавшихся половинок теперь создаёт заметно меньшее магнитное поле. Притом одна из них стала потихоньку перебираться как раз в сторону Сибири. Там «кусок» тоже неслабый, а с учётом приближающегося подкрепления становится всё более мощным. Геофизики склоняются к тому, что такой внутренней силой Россия и перетягивает к себе магнитный полюс.
Однако имеется версия, что в Сибири всё это не кончится и мы с вами имеем дело с инверсией магнитных полюсов. То есть они в один прекрасный момент поменяются местами. То, что такое возможно, научный факт: ещё в 1906 году во Франции нашли древние горные породы, намагниченные не так, как более современные, а противоположным образом. То есть были такие времена, когда северный магнитный полюс был и правда северным. Согласно современным представлениям, подобные перевороты — явление крайне редкое и за всю историю человечества такого не случалось. Считается, что последняя инверсия произошла 780 тысяч лет назад.
Надо сказать, что в основном учёные воздерживаются от утверждений, что мы все умрём. Впрочем, признают, что в подобных передвижениях хорошего тоже мало — как минимум магнитное поле слабеет, а это значит, что планета становится менее защищена от убийственной космической радиации. И действительно, по данным Европейского космического агентства, магнитное поле планеты неуклонно ослабевает с такой скоростью, которая означает потерю около 5% его силы за столетие. При таком раскладе через несколько веков земной жизни вполне может грозить опасность.
Сильное сжатие на северном полюсе что это
Почему не произошло мировой катастрофы, или для чего нужно полярное сжатие Земли?
Рис. 3. Схема действия сил на тело а, расположенное на поверхности Земли
Действие силы fц на точку а (рис. 3) разложим на два направления: вдоль радиуса (сила f2) и по касательной к горизонту (сила f1). Сила f2 как бы уменьшает вес тела, а сила f1 старается сдвинуть его к экватору. Касательная сила f1 на экваторе и на полюсах отсутствует, а при нахождении рассматриваемой точки в любом другом положении она всегда действует по направлению к экватору. Наибольшего значения она достигает на 45° северной или южной широты и составляет половину центробежной силы на экваторе. При весе груза 100 кг она будет равна 0,17 кг.
Не следует забывать, что эта сила действует на каждый предмет, на каждую частицу его, действует одновременно и постоянно до тех пор, пока существует вращение Земли. Например, твердый металлический шарик, положенный на стеклянную горизонтальную поверхность, покатился бы вдоль меридиана по направлению к экватору; груз, подвешенный на гибкой нити, тоже бы отклонился в ту же сторону. Давайте теперь на мгновение представим, что Земля имеет сферическую форму. В результате действия центробежной силы вся вода должна скатываться от полюсов к экватору, реки должны также течь в этом же направлении. Земля в направлении от экватора к полюсам будет обезвоживаться, превратится в безжизненную пустыню. В то же время в районе экватора, как мы уже говорили, широким поясом, охватывающим всю Землю, должен разлиться глубоководный океан. Этот океан затопит многочисленные острова и материки, расположенные в районе экватора, экзотический Египет и Мексику; Греция и Италия, вся северная часть Африки и много-много других областей окажутся под водой; холодная вода, стекающая с полюсов, охладит теплые океаны, что приведет к гибели тепловодных морских обитателей. Словом, условия жизни на Земле резко изменятся и это обстоятельство по праву можно было бы назвать мировой катастрофой. Однако этого мы почему-то не наблюдаем. Реки, как и испокон веков, текут во всех направлениях, а не только к экватору; в районе полюсов сосредоточены громадные массы воды и она совсем не проявляет тенденции перемещаться в экваториальные области. Мало того, нам даже известны громадные течения воды с экватора на север, как, например, течение Гольфстрим. Это обстоятельство наводит на мысль, что Земля, по-видимому, не является шаром, и что гравитационное поле ее, следовательно, также не является центральным, а имеет гораздо более сложную структуру. Поэтому давайте качественно установим необходимую форму Земли, чтобы не произошло описанной мировой катастрофы.
Рис. 4. Схема действия сил на шарик, расположенный на горизонтальной плоскости
Пусть на поверхности Земли находится шарик (рис. 4), который без трения может катиться в любую сторону. (Вместо шарика можно рассматривать любую частичку воды, и так как вся вода движется одновременно, то можно условно считать, что каждая ее частица словно бы катится наподобие шарика). На этот шарик действует сила тяготения fп Земли и центробежная сила f2, составляющая которой f2 уменьшает действие силы притяжения, а составляющая f1 вызывает смещение шарика по линии ее действия. Иначе говоря, шарик должен покатиться вдоль направления этой силы. Что же необходимо сделать, чтобы шарик не покатился? Предположим, что в том месте, где расположен наш шарик, поверхность Земли слегка повышается в направлении к экватору и составляет с местным горизонтом угол β (рис. 5). В этом случае составляющая силы притяжения F′ц направленная параллельно новой поверхности Земли, будет противодействовать силе f1. Величина силы F′п зависит от угла β и поэтому можно всегда подобрать такое значение угла повышения местности, когда шарик будет находиться в покое. Значит, чтобы шарик находился в равновесии, он всегда в направлении к экватору должен как бы видеть повышение местности. Это повышение, измеряемое углом, будет наибольшим там, где сила f1 максимальна, т. е. на средних широтах. Наименьшее повышение местности должно быть в районе полюсов и экватора, где действие силы f1 минимально. Этому условию отвечает так называемое сжатие Земли (т. е. Земля сжата с полюсов). Действительность подтвердила эту гипотезу о сжатии Земли. Земля: действительно сжата в направлении полюсов.
Рис. 5. Схема действия сил на шарик, расположенный на наклонной плоскости
Рис. 6. Поперечный разрез сферической (1) и сжатой (2) Земли
Оценим теперь величины углов упомянутого повышения горизонта в зависимости от широты местоположения шарика.
Расчеты показывают, что наибольшее значение угол β достигает на широте 45° и равен менее ОД градуса. На всех остальных широтах угол β будет еще меньше. Чтобы построить такую наклонную плоскость, необходимо один край ее положить у ваших ног, а другой поднять над сферической Землей в одном километре от вас на выcоту около 1,6 м. Математиками получено аналитическое выражение для величины радиуса сжатой Земли в зависимости от широты рассматриваемой точки. Выражение это имеет очень простой вид:
Таким образом, начав с гипотезы о сферической форме Земли, мы, не производя специальных экспериментов, с помощью рассуждений доказали, что Земля обязательно должна быть сжатой.
Геодезисты пошли дальше. Они ввели новое понятие для формы Земли, определив ее фигуру. Фигурой Земли называют уровенную поверхность силы тяжести. Это такая поверхность, силы притяжения в любой точке которой одинаковы. Она совпадает с океанами в некотором среднем их состоянии при отсутствии возмущений от атмосферного давления, приливов и других факторов; тело, ограниченное этой уровенной поверхностью силы тяжести, называют геоидом. Термины «фигура Земли», «геоид» часто встречаются в серьезных исследованиях и популярной литературе. Мы тоже не обойдемся без них.
Полных сведений о форме и размерах геоида в настоящее время нет. В качестве последовательных приближений к геоиду принимают сферу, сфероид и трехосный эллипсоид. Каждое из этих тел можно принять за тело отсчета (фигуру относимости, как говорят геодезисты) при определении положений отдельных точек геоида.
Установлено, что геоид незначительно отличается от сфероида. Сфероидом называют тело, полученное вращением эллипса вокруг его малой оси. Величина, равная
носит название сжатия Земли. Численное значение ее примерно равно 1/298, т. е. полярный диаметр Земли на одну 298-ю часть (примерно на 0,3%) короче экваториального диаметра.
Первая численная оценка величины сжатия Земли была выполнена Ньютоном, хотя наличие сжатия Земли было открыто несколько раньше его. В 1672 году руководитель французской экспедиции в Южную Америку Жак Рише заметил, что маятниковые часы, хорошо идущие в Париже, вдруг стали отставать на 2,5 минуты в сутки в Кайенне. Но определить по этим данным, насколько Земля отличается от сферы, до открытия закона тяготения было, разумеется, невозможно. Ньютоновская идея определения величины сжатия Земли состояла в следующем. Представим себе трубу с водой, идущую из полюса Земли до ее центра, и такую же трубу, направленную от центра Земли в какую-либо точку экватора. Давление воды в каждой из этих труб в центре Земли должно быть одинаковым, так как вода в целом на Земле не перетекает от полюсов к экватору или наоборот. Но в экваториальном канале за счет вращения Земли центробежный эффект несколько уменьшает давление и, следовательно, он должен быть несколько длиннее. Выполнив необходимые расчеты, Ньютон получил для сжатия величину 1/230, и в течение почти столетия его оценка оставалась лучшей и наиболее обоснованной.
Таблица 2. Сжатие Земли
Экспериментальное определение величины сжатия Земли продолжалось долгие годы и оно не закончено и сейчас. Этим вопросом занимались Кассини и его сын, экспедиция Мопертюи, перуанская экспедиция и другие. Использовались различные методы, основанные на измерении длин дуг меридианов и измерении силы тяжести во всех уголках Земли. Приводимая табл. 2 дает наглядное представление о последовательности уточнения фигуры Земли и, глядя на нее, мы можем только гадать о тех трудностях и трудоемкости работ, которые предшествовали получению одного, казалось бы, очень незаметного числа, характеризующего фигуру Земли.
Разумеется, стоимость билета на самолет не изменится из-за того, что расстояние между полюсами увеличилось на 170 м, а длина маршрута от экватора к полюсу возросла на 0,5 км! Однако эти результаты имели чрезвычайно важное значение для геодезистов, которые производили измерения с точностью до 10 м и поэтому были огорчены, когда узнали, что работали с искаженной моделью Земли. Точно так же возникли новые заботы и у геофизиков, так как прежние представления о жидком строении внутренней части Земли перестали согласовываться с новой оценкой сжатия.