Сколько на самом деле длится смена магнитных полюсов Земли? Пересмотр хронологии геомагнитных событий

Магнитное поле Земли обеспечивает защиту атмосферы и биосферы от ионизирующего излучения Солнца и космических лучей. Известно, что полярность этого поля не статичная: Северный и Южный магнитные полюса периодически меняются местами. Этот процесс называется геомагнитной инверсией. В геофизике всегда считалось, что смена полюсов происходит относительно быстро по геологическим меркам — в течение нескольких тысяч лет.

Новое исследование, опубликованное группой ученых из Японии и Франции в журнале Communications Earth & Environment, провело анализ высокодетальной палеомагнитной записи эпохи эоцена (около 40 миллионов лет назад), и показало, что процесс инверсии может затягиваться на десятки тысяч лет. Обнаруженный исследователями эпизод смены полярности длился 70 000 лет, что в семь раз превышает средние значения, зафиксированные для более поздних эпох. Это открытие заставляет пересмотреть модели работы земного ядра и оценки радиационной нагрузки на планету в прошлом.

Ограниченность современной модели

Современные представления о динамике магнитного поля строятся преимущественно на данных за последние 17 миллионов лет. Наиболее детально изучена последняя инверсия Брюнес-Матуяма, произошедшая около 770-780 тысяч лет назад. Согласно палеомагнитным данным, полученным из вулканических пород и осадков, полная смена полярности тогда заняла около 10-11 тысяч лет. На основе этой и еще нескольких хорошо задокументированных инверсий сформировалась гипотеза, что длительность переходного процесса является величиной относительно постоянной и не превышает 10 тысяч лет.

Проблема данной гипотезы заключается в выборке. За последние 170 миллионов лет произошло около 540 инверсий. Детальные данные имеются лишь для единиц из них (менее 1,3% от общего числа). Следовательно, утверждение о стандартной длительности переворота в 10 тысяч лет, это скорее статистически необоснованное обобщение. Исследователи под руководством Юдзи Ямамото (Университет Кочи, Япония) обратились к более древним слоям, чтобы проверить, насколько стабилен этот механизм на длительных временных отрезках.

Высокое разрешение палеомагнитной записи

Для реконструкции событий, происходивших 40 миллионов лет назад, необходим носитель информации, способный обеспечить непрерывную запись с высоким временным разрешением. Лавовые потоки для этой цели не подходят из-за эпизодического характера извержений. Оптимальным материалом являются морские осадочные породы, но в большинстве районов океана накопление осадков происходит слишком медленно (миллиметры за тысячелетия), что усредняет сигнал и скрывает быстрые колебания магнитного поля.

Ученые использовали керны, полученные в ходе экспедиции IODP 342 в Северной Атлантике, в районе хребтов Ньюфаундленда. В эпоху среднего эоцена здесь наблюдалась аномально высокая скорость седиментации — около 2,4-2,8 сантиметра за тысячу лет. Это позволило получить запись магнитного поля с хорошей детализацией.

Фиксация магнитного поля в осадках происходит благодаря явлению, известному как постседиментационная остаточная намагниченность. В толще воды обитают магнитотактические бактерии, которые синтезируют внутри своих клеток кристаллы магнетита (Fe3O4) для ориентации по силовым линиям геомагнитного поля. После гибели организмов эти микроскопические магнитные частицы оседают на дно. В условиях спокойной седиментации они ориентируются вдоль вектора магнитного поля, существовавшего в тот момент, и закрепляются в уплотняющемся осадке. Так и формируется непрерывный геофизический архив.

Структура аномальной инверсии

Анализ образцов выявил два эпизода смены полярности в хроне C18n (период эоцена). Первый переход длился около 18 000 лет, что уже превышает общепринятые оценки. Второй переход продемонстрировал очень большую длительность — 70 000 лет (+-6 тысяч лет).

Исследование показало, что инверсия — это не линейное движение полюса из одного полушария в другое. Это сложный многоступенчатый процесс, включающий три фазы, которые могут повторяться многократно:

1. Прекурсор: начальная стадия нестабильности, когда полюс совершает кратковременные экскурсы (отклонения) в низкие широты, а напряженность поля начинает снижаться. В исследованном событии эта фаза заняла около 22 000 лет.
2. Основной переход: непосредственное пересечение геомагнитным полюсом экватора и смена знака полярности.
3. Отскок: попытка поля стабилизироваться в новом положении, которая заканчивается неудачей и временным возвратом полюса в промежуточное или исходное состояние.

В случае 70-тысячелетней инверсии система демонстрировала хаотическое поведение. После фазы прекурсора и первой попытки перехода последовала серия из трех отскоков длительностью 14, 13 и 16 тысяч лет. Геомагнитное поле находилось в состоянии флуктуирующего переходного режима, не в силах зафиксировать новую полярность. Все это время напряженность поля оставалась очень низкой.

Физическая природа процесса

Для объяснения наблюдаемого феномена авторы использовали численное моделирование геодинамо. Магнитное поле Земли генерируется конвективными потоками расплавленного железа и никеля во внешнем ядре (на глубине от 2900 до 5100 км). Эти потоки управляются силами Кориолиса и градиентами температур/концентраций легких элементов.

Моделирование показало, что длительность инверсии зависит от конкретной конфигурации потоков в жидком ядре, которые носят случайный характер. Инверсия начинается, когда локальные возмущения магнитного потока нарушают стабильность основного диполя. Результаты расчетов демонстрируют, что распределение длительности инверсий подчиняется логнормальному закону. Это означает, что хотя большинство инверсий действительно могут укладываться в короткие интервалы, существование длинных хвостов (событий высокой длительности) является физически неизбежным свойством системы.

Так, затяжная инверсия длительностью 70 000 лет — это не аномалия записи и не ошибка датировки, а один из штатных режимов работы планетарного динамо. Вязкость вещества внешнего ядра и параметры электропроводности допускают возникновение устойчивых турбулентных состояний, которые препятствуют быстрой реполяризации диполя.

Последствия для планетарных процессов

Главным фактором риска при инверсии является не само положение полюсов, а резкое падение напряженности магнитного поля. Дипольный компонент поля, который обеспечивает основную защиту от солнечного ветра, во время перехода практически исчезает. Его место занимают более слабые мультипольные компоненты (квадрупольный, октупольный).

Если инверсия длится 5-10 тысяч лет, биосфера испытывает краткосрочный стресс. Однако ослабление поля на 70 000 лет означает, что Земля подвергалась воздействию повышенного уровня радиации на протяжении периода, достаточного для накопления макроэволюционных эффектов.

1. Атмосферные изменения: усиленный поток высокоэнергетических протонов и электронов от Солнца вызывает каскады ионизации в верхних слоях атмосферы. Это приводит к разрушению озонового слоя и изменению химического состава стратосферы. Длительное отсутствие магнитной защиты могло способствовать потере летучих элементов атмосферы (диссипации), хотя и в меньших масштабах, чем на Марсе.
2. Радиационное воздействие на биоту: повышенный уровень ультрафиолетового излучения (из-за истощения озона) и вторичной радиации на поверхности является мощным мутагенным фактором. Авторы исследования проводят параллель с Эдиакарским периодом (около 560 млн лет назад), когда коллапс геомагнитного поля коррелировал с резким увеличением биоразнообразия многоклеточных организмов. Возможно, периоды геомагнитной нестабильности выступают драйверами эволюционных процессов.

Заключение

Стабильность магнитного щита Земли переоценена. Геомагнитное поле способно входить в фазу затяжной дестабилизации, при которой планета остается уязвимой для космического воздействия на десятки тысяч лет.

Это открытие вносит существенную неопределенность в прогнозы будущего поведения магнитного поля. В настоящее время наблюдается постепенное ослабление дипольного момента Земли, что часто интерпретируется как признак приближающейся инверсии. Если в прошлом подобные события могли растягиваться на 70 000 лет, то потенциальная следующая инверсия может стать новой геологической реальностью, к которой технологической цивилизации и биосфере придется адаптироваться на протяжении тысячелетий. Механика земного ядра оказалась значительно сложнее и вариативнее, чем предполагали упрощенные модели, построенные на данных недавнего прошлого.

Источник: Communications Earth and Environment