Из-за рекордно быстрого смещения магнитных полюсов Земли выпущено внеплановое обновление Всемирной магнитной модели WMM

Исследователи зафиксировали аномально быстрое смещение северного магнитного полюса Земли по сравнению с предыдущими годами: он движется со скоростью около 55 километров в год вместо обычных 10—15 км от побережья Канады в сторону Евразийского материка. Из-за этого в декабре 2019 года пришлось выпустить внеплановое обновление Всемирной магнитной модели (WMM), описывающей магнитное поле Земли с большой точностью и используемой для навигации.

Всемирная магнитная модель (WMM, World Magnetic Model) разрабатывается совместно Национальным геофизическим центром данных США (National Geophysical Data Center, NGDC) и Британской геологической службой (British Geological Survey,BGS). Она представляет магнитное поле Земли в виде стандартного разложения в ряд магнитного потенциала поля, учитывая как состояние поля на момент создания, так и его вариации во времени, что позволяет экстраполировать изменение поля со временем на следующие несколько лет. Обновлённая магнитная модель выпускается каждые пять лет. Предыдущая версия модели была выпущена в 2015 г., и следующее плановое издание модели запланировано на 2020 год. Из-за аномально высокой скорости дрейфа магнитного полюса в начале 2019 года было принято решение о внеплановом обновлении модели, об этом мы уже писали. Наконец 10 декабря было официально объявлено о выходе новой версии. Об этом сообщается на сайте Национального управления океанических и атмосферных исследований (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA).

Со времени формального открытия северного магнитного полюса Земли в 1831 году установлено, что его положение непостоянно во времени. Полюса испытывают регулярное смещение, называемое дрейфом полюсов. Так, за время наблюдения северный магнитный полюс сместился на 2250 километров. Данные исторических наблюдений позволяют реконструировать положение полюсов и в ранние эпохи — начиная с 1600-х годов в связи с интенсивным развитием мореплавания. Положение магнитных полюсов до времени прямых измерений реконструируется по направлению магнитного склонения в разных точках мира, измеренному, в том числе с кораблей. Южный магнитный полюс при этом ведёт себя более спокойно, но также подвержен смещению. Раньше плановые выпуски WMM удовлетворительно отслеживали эти движения, закладывая в модели соответствующие поправки для экстраполяции данных, точности которой хватало на последующие пять лет.

Магнитное склонение — разница между направлением стрелки компаса и направлением на истинный север, то есть вдоль оси вращения Земли. Эта разница в средних широтах Европейской части России может составлять от 5 до 15 градусов. Поправку на склонение учитывают в навигационных системах, также она хорошо знакома туристам. Склонение указывается на «официальных» топографических картах, в частности, на популярных в туристской среде картах Генштаба. Кроме склонения в данной точке, такие карты также имеют информацию о скорости смещения склонения со временем, что даёт возможность вносить поправку для ориентировки по этой карте и через несколько лет после выпуска. Разумеется, такая коррекция только линейная, и поправка лет за тридцать жизни карты может заметно отличаться от расчётной. По сути, подобную информацию извлекают из модели WMM.

Происхождение магнитного поля Земли и других планет остаётся пока непрояснённым. Правдоподобной теорией сегодня является модель геомагнитного динамо: поле возникает за счёт вращения внешнего металлического ядра Земли, находящегося в жидком состоянии (на глубинах от 2900 до 5000 км). Модель достаточно сложна и включает в себя как необходимые элементы проводящую жидкость (расплавленный металл внешнего ядра), высокую температуру ядра, обеспечивающую конвекцию, а также вращение магнитной среды за счёт вращения небесного тела. Эта модель объясняет наличие долгоживущего магнитного поля у планет и звёзд: магнитное поле в проводящей среде, раз возникнув по любым причинам, быстро по космическим меркам затухает, поэтому для его поддерживания в течение миллиардов лет необходимы дополнительные механизмы.

Более интересным является также то, что модель динамо допускает как смещение магнитных полюсов, так и их инверсию. Про частичную инверсию магнитного поля в недавнем (40 000 лет назад) геологическом прошлом в связи с возможностью её исследования на годичных кольцах обнаруженного ископаемого дерева мы писали недавно. Математически модель магнитного геодинамо представляет собой типичную хаотическую систему, в которой инверсия полюсов выступает как неизбежное время от времени явление, но происходит практически непредсказуемо и через нерегулярные промежутки времени. Такая непредсказуемость траектории в сложной нелинейной системе называется динамическим хаосом и является математическим следствием чувствительности траектории к начальным условиям и параметрам. Здесь ситуация сродни проблеме предсказания погоды: внутренняя сложность и неустойчивость системы приводит к невозможности предсказания поведения системы за пределами некоторого временнóго горизонта (для погоды это несколько дней или недель). Система магнитного динамо является, таким образом, хаотической и бистабильной: периодически она перескакивает из одной области пространства состояний в другую, и нынешний Северный магнитный полюс находится то в северном, то в южном полушарии. Последняя полная инверсия полюсов предположительно имела место около 800 тысяч лет назад, то есть до возникновения человека как вида, поэтому о последствиях такой инверсии в будущем мы можем только высказывать предположения. Многое зависит от того, будет ли инверсия происходить путём быстрого движения магнитных полюсов из одного полушария в другое, или же (катастрофический сценарий) магнитное поле в период инверсии уменьшится до критических значений и не сможет защищать Землю от космического излучения.

У Земли на самом деле не два магнитных полюса. Представление о двух полюсах исходит из упрощённой дипольной модели магнитного поля Земли, представляющей его источник как постоянный магнит внутри Земли, направленный под углом около 11° к оси её вращения и смещённый по отношению к центру. Этого достаточно для ориентации по компасу в наших широтах, однако в модель необходимо вводить существенные поправки, если речь идёт о расчёте систем для навигации или даже применении компаса в Заполярье. Так, кроме дипольного момента, рассматривается квадрупольный, октупольный и т. д., представляющие собой поправки к простой модели магнитной оси с двумя полюсами. По детальным картам магнитного поля отчётливо видно отклонение от поведения магнитного стержня: изолинии магнитного поля группируются вокруг нескольких точек сгущения, так, что иногда говорят о нескольких магнитных полюсах — первом и втором северном и т. д. Эти представления зародились ещё в первой половине XIX века, по работам норвежского физика Кристофера Ханстена (Christopher Hansteen), который ввёл вторую «вспомогательную» магнитную ось. Однако позже эта модель с двумя магнитами была заменена более строгой эмпирической моделью Гаусса, использующей математическое разложение поля в ряд. Однако тем, кто будет жить во время будущей инверсии полюсов, возможно, пригодится представление и о нескольких магнитных осях: поле станет слишком сложным для моделирования одним магнитом.

Аномальное ускорение смещения полюсов предположительно связывается с «геомагнитными рывками» (geomagnetic jerks), открытыми в 1978 году. Теория геомагнитного динамо в принципе их допускает. Такие рывки, по-видимому, возникают из-за поверхностных эффектов, которые испытывают магнитогидродинамические волны, достигая границы ядро-мантия. В апреле 2019 года в статье в Nature Geoscience были описаны результаты компьютерного моделирования процессов в магнитосфере Земли на основе представлений о механизме магнитодинамо. Авторам удалось построить правдоподобное объяснение механизма образования таких рывков и связать аномально высокую скорость дрейфа с рывком, происшедшим в 2016 году. Численное моделирование такой системы требует множества тысяч часов на современных суперкомпьютерах, а сложность магнитогидродинамических расчётов можно оценить по открывающей картинке.

Однако, по убеждению геофизиков, такая высокая скорость смещения полюса ещё не указывает на близкую инверсию. В любом случае «опрокидывание» полюса будет происходить в течение пары тысяч лет. Хаотическая система магнитосферы Земли в это время будет пребывать в неустойчивом состоянии, что как минимум сильно усложнит её конфигурацию.