Механизм инверсии полюсов Земли

Кузнецов А.И., Кузнецов А.Р.

Ученые установили, что магнитные полюса Земли, в отличии от географических, постоянно перемещаются по ее поверхности, а спустя какое-то время, даже меняются друг с другом местами.

О наличии предыдущих инверсий магнитного поля учёные узнали, исследовав застывшую вулканическую лаву. Современная наука позволяет с относительно высокой точностью определить время извержения лавы из вулкана. Затвердевая она сохраняет свою намагниченность, то есть позволяет установить направление и величину магнитного поля Земли в этот момент. По сути, лава состоит из крохотных магнитиков, которые указывают, где находятся север и юг. Как оказалось, слои лавы, имеющие разную намагниченность, чередуются, сменяя друг друга.

Магнитик лавы может далеко не точно указывать только направление нахождения магнитного северного полюса, как стрелка компаса, но не место его расположения. Начиная с XVI века считали, что для определения его координат необходимо знать направления его расположения в разных местах земного шара, желательно удаленных друг от друга на значительные расстояния. Тогда точка пересечения направлений этих магнитиков укажет координаты полюса. Использование магнитиков только одного вулкана, находящихся на относительно небольшом расстоянии друг от друга, сильно увеличивает погрешность определения. Однако, вулканы, находящиеся в различных местах земного шара, обычно сильно различаются по времени их извержения, поэтому увязать между собой указываемые их магнитиками направления довольно сложно. Ученые доказали, что любые попытки судить о местоположении северного магнитного полюса по показаниям компаса в далёких от него точках без учёта сложной структуры земного магнитного поля приводят к огромным ошибкам [1].

Учитывая постоянное перемещение магнитных полюсов в разных направлениях и с различной скоростью, можно утверждать, что направление (положение) магнитной оси непрерывно меняется непредсказуемым образом. Поэтому не реально, зная ориентировочное положение северного магнитного полюса, точно определить не только положение, но и направление расположения южного магнитного полюса.

Ошибка такого метода определения полярности очень велика и заключается еще в том, что, в отличии от географических полюсов, ось соединяющая магнитные полюса не проходит через центр Земли и постоянно меняет свое положение.

Геомагнитное поле, измеренное в любой точке земной поверхности, само по себе является комбинацией нескольких магнитных полей, порождаемых разными источниками. Сюда входят местные магнитные аномалии земной коры, вызванные природной или остаточной намагниченностью горных пород; электрические токи, текущие в коре или верхней мантии, и другие локальные источники. В некоторых точках планеты они играют очень существенную роль и в ограниченной области могут даже изменить направление геомагнитного поля на противоположное. Исходя из всего, выше перечисленного, ясно, что палеомагнитные реконструкции описывают геомагнитное поле в древности очень грубо, поэтому такие поля принято называть «виртуальными». Однако, несмотря на это, они позволили учёным установить, что в истории Земли уже многократно происходили инверсии магнитного поля [1].

Ученые утверждают, что во время инверсии мощность магнитного поля может уменьшаться в несколько раз. Выводы ученых основаны на изучении лавы без определения конкретного местонахождения вулкана относительно магнитного экватора, из-за отсутствия точной информации о расположении полюсов. Доказано, что в обычных условиях уменьшение мощности магнитного поля постоянно наблюдается по мере удаления от полюсов в направлении условного магнитного экватора. Так как положение экватора непрерывно меняется, то величина снижение мощности условна.

Принято считать, что магнитное поле образует магнитосферу, простирающуюся на 60-80 тыс. км в направление Солнца, которая защищает поверхность Земли от вредного влияния заряженных частиц высоких энергий и космических лучей. Поэтому смена полюсов может повлиять на животный мир и людей.

Согласно ранее предложенной нами гипотезы [2], такие частицы и космические лучи, расходуются на ионизацию атомов атмосферы, способствуя образованию света и выделению тепла. Поэтому, можно предположить, что основная роль в экранизации поверхности Земли от вредного воздействия испускаемых Солнцем частиц и космических лучей принадлежит не магнитосфере, а атмосфере. Этим объясняется то, что по мере подъема на большую высоту, с увеличением разреженности атмосферы, уровень радиации повышается.

Известно, что силовые линии магнитного поля Земли выходят из северного полюса и входят в южный. Поток солнечного ветра также постоянно воздействует на Землю со стороны южного полюса [3]. Поэтому, избыточное количество ионизирующих частиц, поступающих к южному полушарию, способствует ионизации большего количества атомов атмосферы с выделением тепла и созданию здесь более теплого климата.

Учеными установлено, что напряженность магнитного поля Земли за последние 150 лет понизилась примерно на 10 процентов. Кроме того, если в 70-х годах XX века скорость перемещения северного и южного магнитных полюсов составляла 10 км/год, то в начале XXI века для южного она осталась такой же, а для северного достигла 65 км/год и продолжает расти дальше [4]. Это послужило поводом предположить, что надвигается очередная инверсия.

Принято считают, что потоки лавы являются относительно надежным индикатором ориентации магнитных полюсов Земли в то время, когда лава застывала. Однако, они не могут предоставить информацию о периодичности инверсий, механизме перемещения полюсов и изменении напряженности магнитного поля в этот промежуток времени.

Полной неожиданностью, поставившей под сомнение палеомагнитный метод, для ученых явились результаты анализа магнитных свойств, найденного на востоке пустыни Орегона, потока лавы толщиной около километра, излившегося 16,2 миллиона лет назад.

Ее исследования произвели настоящую сенсацию в геофизике. Полученные результаты магнитных свойств вулканической породы объективно показали, что нижний слой застывал при одном положении полюса, сердцевина потока - при перемещении полюса, и, наконец, верхний слой – при противоположном положении полюсов. Все это произошло за тринадцать дней. Орегонская находка заставляет допустить, что магнитные полюса Земли могут поменяться местами не в течение нескольких тысяч лет, а всего лишь двух недель [5].

Наряду с выше отмеченными недостатками этого метода, не только у нас, но наверняка и у других (не ученых) вызывают сильное сомнение результаты столь высокой скорости инверсии и такой точности (до дней или даже часов) определения временных интервалов по лаве спустя 16,2 млн. лет.

Не смотря на существующее утверждение, возникает сомнение о высокой точности определения времени извержения лавы. Кроме того, при такой толщине слоя не исключена вероятность того, что низ, середина и верх – это наслоение трех разных потоков лавы, извергающихся из одного и того же вулкана с периодом несколько сотен тысяч или даже миллионов лет.

Инверсия - относительно редкое явление, которое ни разу не происходило за время существования Homo sapiens. Предположительно, последний раз оно произошло около 780 тысяч лет назад. По данным ученых инверсии магнитного поля наблюдались через интервалы времени от десятков тысяч лет до огромных промежутков спокойного магнитного поля в десятки миллионов лет, когда инверсии не происходили. Таким образом не обнаружено никакой периодичности в смене полюсов, и этот процесс считается стохастическим. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать периоды многократных инверсий с различной длительностью и наоборот. Как показывают исследования, смена магнитных полюсов может длиться от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч лет [6].

Поскольку процессы инверсии характерны и для Солнца, то можно предположить, что они в какой-то степени связаны между собой, т.е.  предложенный нами механизм смены магнитных полюсов Солнца [7], аналогичен и для Земли.

По нашему мнению, случайная природа таких явлений (без влияния катаклизмов) однозначно исключается. Это, очевидно, следствие постоянно существующих и циклически повторяющихся процессов в которых участвуют как Солнце, так и Земля. В любом случае это связано с изменением положения полюсов под действием существующего другого, более мощного магнитного поля. Основным таким процессом, учитывая длительность имеющих место циклов, скорее всего является их движение в галактике Млечный Путь.

Солнечная система, кроме обращения с рукавом вокруг ядра Галактики, одновременно совершает движение в поперечном сечении внутри рукава Ориона [8]. В процессе этого движения она будет периодически пересекать плоскость галактического экватора (центральной части плоскости диска), оказываясь то в северном, то в южном галактическом полушарии. Именно это, по нашему мнению, и является главной причиной инверсии магнитных полюсов Земли, а также определяет длительность цикла.

Согласно расчетам некоторых исследователей, Солнечная система пересекает галактический диск каждые 20-25 млн. лет, что соответствует половине оборота солнечной системы по орбите внутри рукава Ориона.

Эти значения почти совпадают с данными американских ученых об определении средней периодичности инверсии магнитного поля (смены магнитных полюсов) Земли. По их мнению, она составляет примерно 26 млн. лет. В своем исследовании авторы провели обработку палеомагнитных и геохронологических данных за последние 375 миллионов лет. Для этого ученые использовали анализ Фурье - представление функций в виде суммы гармонических колебаний, происходящих с разными частотами [9].

Мы считаем, что одной из причин существующего разброса длительности циклов инверсии полярности является большая погрешность используемого для этой цели метода ее определения. Другая, очевидно, главная причина этого, заключается в постоянном изменении положения любого магнитного поля за счет перемещения его полюсов. Учитывая то, что во Вселенной все космические тела находятся в непрерывном движении, можно с уверенностью сказать, что положение их полюсов также непрерывно меняется. Время перемещения Солнечной системы в рукаве Ориона относительно длительный процесс. Скорость и направление перемещения полюсов Земли за это время меняются на значительную величину. Поэтому продолжительность циклов будет сильно различаться.

Аналогично ранее предложенного механизма инверсии Солнца [7], смена полярности происходит постепенно, по мере сближения космических тел, под влиянием более сильного магнитного поля Галактики.

В качестве простейшего примера можно рассмотреть взаимодействие крупного и мелкого постоянного магнита. При сближении одноименных полюсов, маленький магнит под действием более сильного магнитного поля большого магнита отталкивается от него, поворачивается и притягивается противоположной стороной с разноименным полюсом. Поскольку магнитное поле звезд и планет, в отличии от постоянных магнитов, существует и может изменять свое направление независимо от расположения космических тел, то в аналогичной ситуации произойдет изменение (инверсия) только положения магнитных полюсов.

В обычных условиях полушария можно рассматривать как области сильного магнитного поля с полярностью расположенного в нем магнитного полюса. Под действием его все тела солнечной системы, обладающие магнитным полем, в том числе и Земля, располагаются, повернувшись к нему своим противоположным ему полюсом.

Для ясности сразу сделаем оговорку: если рассматривать истинное положение магнитных полюсов Земли, то мы уверены, что тогда необходимо аналогично изменить и положение магнитных полюсов галактики, т.е. ее южный магнитный полюс располагается вверху, а северный – внизу.

Согласно нашей гипотезы механизм инверсии полярности Земли происходит в следующей последовательности (рисунок 1):

1 - при расположении Земли в верхней точке ее орбиты в рукаве Ориона, напряженность ее магнитного поля будет иметь максимальное значение, а положение магнитной оси близко к горизонтальному (параллельно экватору Галактики и оси рукава);

2 - по мере перемещения к плоскости условного магнитного экватора, напряженность ее магнитного поля будет уменьшаться;

3 – при этом южный магнитный полюс Земли по мере приближения к южному полушарию будет отталкиваться от него и подниматься к верху, а северный магнитный полюс – наоборот начнет притягиваться к южному полушарию и перемещаться вниз. Именно это поведение магнитных полюсов Земли мы наблюдаем в настоящее время;

4 - минимальное значение напряженности будет при расположении Земли в плоскости экватора, где ее магнитная ось займет примерно вертикальное положение (перпендикулярно экватору и параллельно магнитной оси Галактики);

5 - отсюда начинается процесс изменения (смены) ориентации ее полярности на противоположное направление;

6 - после перехода Солнечной системы в южное (нижнее) полушарие, по мере удаления от плоскости экватора, происходит постепенное увеличение напряженности магнитного поля Земли новой полярности (смещение магнитных полюсов в противоположном направлении от ранее существующего);

7 - максимальное значение напряженность нового магнитного поля Земли достигнет в нижней точке ее орбиты в рукаве Ориона, где положение ее магнитной оси (полюсов) изменится на противоположное начальному, т.е. произойдет инверсия;

8 - при движении Земли по орбите в рукаве Ориона в обратном направлении (снизу-вверх) характер изменения напряженности поля и положения магнитной оси повторится в обратном порядке.

Таким образом, как утверждает в своей работе [4] А. Симонов, это циклический процесс. За время оборота Земли вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики она несколько раз будет пересекать экватор, меняя положение своих полюсов. Однако, это не значит, что продолжительность циклов во всех случаях будет одинаковой. Наверняка, с учетом влияния всех ранее перечисленных факторов, она будет колебаться как в одну, так и в другую сторону.

Кроме того, можно предположить, что у Земли кроме инверсии имеют место кратковременные неполные циклы. Под ними подразумеваются циклы, в течение которых магнитные полюса Земли совершают полный оборот в районе одноименных географических полюсов их расположения, без инверсии. Это вызвано тем, что Земля, вращаясь вместе с Солнечной системой внутри рукава Ориона, одновременно вращается по орбите вокруг Солнца, то приближаясь к экватору Галактики, то удаляясь от него, но не пересекая его.

Ученые отмечают возможность такого более мягкого процесса, когда изменения магнитного поля Земли, как по его напряженности, так и в географическом положении полюсов, происходит на сравнительно небольшую величину, без смены северного магнитного полюса на южный магнитный, а южного на северный. С тех пор, как в ноябре 2013 года Европейское космическое агентство запустило спутниковую космическую миссию Swarm, нацеленную на изучение магнитного поля Земли, исследователи заметили, что магнитное поле в северных приполярных районах сильно и быстро меняется, так что получалась своеобразная «ромашка» из чередующихся зон с аномально слабым и аномально сильным магнитным полем [10].

Таким образом, предложенная гипотеза позволяет объяснить природу и механизм инверсии магнитных полюсов Земли.

ЛИТЕРАТУРА

1 Дьяченко А. И. Магнитные полюса Земли. -М.: МЦНМО, 2003. - 48 с.

2 Кузнецов А. И., Кузнецов А. Р. Свет – это энергия ионизации атомов. //Материалы Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов, студентов и школьников «ХХI Сатпаевские чтения». - Павлодар, 2021. 

3 Кузнецов А. И. Общая теория относительности А. Эйнштейна и новые гипотезы. //Материалы Международной научно-практической конференции «Х Торайгыровские чтения», посвященной 125-летию С. Торайгырова. - Павлодар, 2018. - Т. 4. - С. 194-198.

4 Симонов А. Магнитный кульбит. [Электронный ресурс]. - URL:  [дата обращения 16.03.2021].

5 Движение магнитных полюсов Земли. [Электронный ресурс]. - URL: https://masterok.livejournal.com/601858.html [дата обращения 18.03.2021].

6 Инверсии магнитного поля Земли. [Электронный ресурс]. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki [дата обращения 01.04.2021].

7 Кузнецов А. И. Смена активности и магнитных полюсов Солнца. //Материалы Международной научно-практической конференции «ХI Торайгыровские чтения», – Павлодар, 2019. - Т. 4. - С. 9-16.

8 Кузнецов А. И., Кузнецов А. Р. Движение солнечной системы в Галактике. //Материалы Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов, студентов и школьников «ХХI Сатпаевские чтения». - Павлодар, 2021.

9 Названы сроки переворота магнитных полюсов Земли. [Электронный ресурс]. - URL: https://lenta.ru/news/2016/09/05/reversal [дата обращения 17.03.2021].

10 Юрий Магаршак. За изменения климата в масштабах сотен и тысяч лет отвечает магнитное поле Земли. Возвращение к Птолемею. 21.04.2020 г. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.ng.ru/science/2020-04-21/13_7849_climate.html [дата обращения 30.03.2021].