Магнитное поле Земли на участке между Южной Америкой и Африкой постепенно ослабевает. Такое поведение стало загадкой для геофизиков, а также причиняет неудобства при управлении околоземными спутниками, орбита которых проходит в том районе. Данные от созвездия спутников SWARM Европейского космического агентства (ESA) позволяют подробнее изучить это явление, которое называют «Южно-Атлантической аномалией».
Магнитное поле — существенный фактор для жизни на планете. Магнитная оболочка защищает Землю от космического электромагнитного излучения и солнечного ветра — потока заряженных частиц, истекающего из короны Солнца. Оно существует благодаря жидкому металлическому ядру Земли на глубине 3000 км, проводящий материал которого перемещается из-за вращения Земли вокруг оси. Движение проводящей среды приводит к существованию электрического тока в ней, создающего магнитное поле так же, как это происходит в электромагнитах. Механизм генерации магнитного поля планеты такой подвижной проводящей средой называется геомагнитное динамо. Из-за неравномерности вращения Земли и инерционности проводящей среды (жидкого ядра Земли) этот процесс не является стационарным, и картина магнитного поля изменяется со временем. Поскольку магнитное поле в каждой точке существенно для навигации, производятся его высокоточные измерения, составляющие основу Всемирной магнитной модели, или WMM (World Magnetic Model) геологических служб Великобритании и США. Модель позволяет определить поле в любой точке Земли, а также экстраполировать его изменения на некоторое время вперёд. Каждые пять лет выпускаются её плановые обновления. Однако из-за ускоренного изменения магнитного поля в последние годы, в том числе и по данным спутников SWARM, в конце 2019 года было выпущено внеплановое обновление модели: магнитные полюса дрейфовали так быстро, что точности экстраполяции уже не хватало для потребностей современной навигации. Более подробно об этой модели, а также о проблемах, связанных с изменением магнитного поля Земли, мы писали ранее.
SWARM — это первая группировка («созвездие») спутников ESA для наблюдения Земли. Проект включает три одинаковых спутника с именами Альфа, Браво и Чарли (первые буквы названий в написании латиницей — A, B и C). Они запущены 22 ноября 2013 года на околополярную орбиту.
Спутники SWARM предназначены для подробного исследования геомагнитного поля Земли и его эволюции, а также электрического поля в атмосфере. Корабли Swarm A и C — это «нижняя» пара спутников, которые находятся на орбите 462 км (начальное значение) и совершают облёт Земли параллельно, по орбитам практически вдоль меридиана с разделением 1,4° по долготе. Swarm B находится на высоте 511 км и имеет тоже близкий к меридиану, но немного другой наклон орбиты. В марте 2018 года в качестве четвёртого элемента группировки спутников Swarm к ним присоединился канадский спутник CASSIOPE (вернее, его часть полезной инструментальной нагрузки с обозначением e-POP). Пока что время работы миссии, изначально рассчитанной на четыре года, продлено до 2021 года.
За 200 лет (время инструментальных наблюдений) напряжённость магнитного поля Земли в целом уменьшилась примерно на 9 %. Эти изменения неравномерны для разных участков Земли. Кроме уменьшения напряжённости поля, меняется его направление (рисунок силовых линий). Так, за время наблюдений оба магнитных полюса Земли испытали существенное смещение. В последние два десятилетия отмечено ускоренное смещение северного магнитного полюса, который вместо хаотических колебаний на месте сейчас достаточно быстро дрейфует из своего предыдущего (условно) устойчивого положения в северной части Канады через Северный Ледовитый Океан в сторону Сибири. Южный полюс смещается меньше по сравнению с северным, однако изменения вблизи южного полюса имеют другой характер. Так, Южно-Атлантическая аномалия — это обширная область существенно ослабленного поля в южной части Атлантического океана и под прилегающими частями Южной Америки и Африки. Её центр с минимумом напряжённости поля сейчас находится на территории Южной Америки. С 1970 до 2020 года минимальная напряжённость магнитного поля уменьшилась с 24 000 нТл (нанотесл) до 22 000 нТл. В то же время площадь аномалии выросла, и сама область смещается со скоростью порядка 20 км в год в западном направлении. Но за последние пять лет к юго-западу от Африки в ней появилась вторая область минимума — так, как если бы аномальная область ослабленного поля была готова разделиться на два куска.
По-видимому, поле здесь теряет свой «дипольный» характер: его уже проблематично описывать при помощи наивной модели в виде постоянного магнита внутри Земли, на 11° развёрнутого по отношению к её оси, как обычно изображается в учебниках. Упрощённо это выглядит так, как если бы вместо одного южного и одного северного полюса у нас бы имелись по два эффективных «полюса», которые бы соревновались в перетягивании магнитной стрелки компаса в разных точках Земли, особенно вблизи таких аномалий. Математически это означает, что дипольная модель становится недостаточной, и в игру вступают моменты поля более высоких порядков — квадрупольные, октупольные и т. д. Подробнее об этом можно посмотреть в той же статье про Всемирную магнитную модель и дрейф северного магнитного полюса по ссылке выше.
Ослабление магнитного поля в границах Южной Атлантической аномалии приводит к тому, что эта область становится более уязвимой для космических лучей. Так, на видео показаны точечные события ударного космического излучения, зафиксированные спутниками SWARM, которые отчётливо концентрируются в районе этой аномалии. Всё это происходит на высоте около 450 км — там, где летают спутники Swarm. Для поверхности Земли эта аномалия не представляет угрозы, но космические аппараты, пролетающие в этой области, могут испытывать сбои аппаратуры из-за дополнительного проникновения космического излучения.
Развитие Южно-Атлантической аномалии и ударное космическое излучение на спутниках Swarm.
Более интересен здесь другой аспект. Повышенная скорость миграции северного магнитного полюса и такое непонятное поведение в южной части земного шара могут указывать на «близкое» по геологическим меркам и неизбежное событие — инверсию магнитных полюсов Земли. Статистически за последние 80 миллионов лет такие «опрокидывания» магнитных полюсов случались в среднем раз в 200—400 тысяч лет. Но поскольку в основе этого процесса — очень хаотическая динамическая система, промежутки между ними сильно отклоняются от этого среднего значения. Последняя инверсия полюсов, или «переход Матуяма — Брюнес», была около 780 тысяч лет назад, то есть таких событий на памяти человека ещё не происходило. Кроме того, геологи пока не пришли к единому мнению о том, как быстро это случилось: это могло занять несколько тысяч лет (даже до 20 тысяч) и сопровождаться длительным периодом нестабильности с частичной инверсией. Подробнее об этом можно посмотреть материал по ссылке. Есть также альтернативные мнения (например, см. здесь и здесь) — что это произошло за время, сопоставимое с жизнью человека. Кроме того, уже на протяжении нашего «археологического» прошлого были события с частичной инверсией полюсов, которые можно исследовать даже по ископаемым растениям (об этом также есть небольшая заметка).
Пока что считается, что Южно-Атлантическая аномалия, как и смещение полюса на севере всё ещё находятся в пределах допустимых флуктуаций и о быстрой смене полюсов прямо сейчас говорить рано. Такое поведение может указывать на подготовительную стадию события. Это может быть подготовка как к инверсии, так и к частичной инверсии, или «экскурсии» полюса. Наверное, события второго типа должны происходить чаще. Причины конкретных наблюдаемых аномалий, возможно — это открытые в 1978 году «геомагнитные всплески», или «рывки» (geomagnmetic jerks) как результат взаимодействия волн магнитогидродинамической системы с внутренними границами в Земле, в частности, разделом ядро—мантия. Эти всплески сейчас наблюдают и даже картируют, но предсказать, куда разовьётся очередной «рывок», в долгосрочной перспективе пока нельзя.
