Jeśli lubicie patrzeć na nocne niebo, mamy dla was dobrą wiadomość. Już niedługo nawet w Polsce będzie można podziwiać bajeczne kolory zorzy polarnej. Do zjawiska tego dochodzi, gdy strumienie rozpędzonych cząstek wysyłane w kosmos przez Słońce wpadają w atmosferę ziemską. Normalnie przed tym tzw. wiatrem słonecznym chroni nas magnetosfera – pole magnetyczne Ziemi. Tylko w okolicach biegunów jest ono „dziurawe”, dzięki czemu można tam obserwować zorze polarne. Z najnowszych badań wynika jednak, że ziemski magnetyzm staje się coraz słabszy, a w ciągu najbliższych stuleci może nawet całkowicie zaniknąć. A gdy wróci, niewykluczone, że jego bieguny zamienią się miejscami.
Tu kończą się dobre wiadomości. Osłabienie lub brak pola magnetycznego oznacza bowiem poważne kłopoty dla naszej cywilizacji. Jeden z nich łatwo sobie wyobrazić – przestaną działać kompasy, co może uprzykrzyć życie niektórym turystom. W trudnej sytuacji znajdą się liczne gatunki zwierząt – ptaki, ryby i walenie – które wykorzystują magnetyzm do ustalania tras swych wędrówek. Najgorsze jednak będzie to, że bez magnetycznej tarczy osłaniającej Ziemię zaczną szwankować kluczowe technologie.
Pierwszymi ofiarami staną się satelity. Wiatr słoneczny i promieniowanie kosmiczne zaczną zakłócać działanie ich elektroniki i niszczyć ją. Awarie systemów nawigacyjnych (takich jak GPS) czy telekomunikacyjnych staną się normą, podobnie jak wypadki lotnicze czy katastrofy morskie. W każdej chwili będzie nam też groziła globalna katastrofa energetyczna. Jeśli od strony naszej najbliższej gwiazdy nadleci wyjątkowo intensywny „podmuch” wiatru słonecznego, zniszczeniu ulegną linie wysokiego napięcia i instalacje w elektrowniach jądrowych (pisaliśmy o tym obszernie w „Focusie” nr 3/2013). Ten sam los może spotkać warstwę ozonową atmosfery, a to oznacza większą liczbę chorych na złośliwe nowotwory skóry. Może się też zmienić pogoda. Duńscy naukowcy stwierdzili, że globalne ocieplenie ma związek m.in. właśnie z obserwowanym ostatnio osłabieniem pola magnetycznego.
Wielka magnetyczna dziura
„W ciągu ostatnich 110 lat siła ziemskiego pola magnetycznego zmniejszyła się o jakieś 6 proc. Jednak wygląda to różnie w zależności od miejsca. Proces ten zachodzi najszybciej w rejonie tzw. anomalii południowoatlantyckiej. Jeśli będzie dalej zachodził w tym samym tempie, pole magnetyczne w tej części Ziemi zniknie całkowicie w ciągu ok. 250 lat” – ocenia dr Norbert Nowaczyk z Niemieckiego Centrum Nauk o Ziemi. Centrum anomalii południowoatlantyckiej znajduje się teraz nad Brazylią. Pole magnetyczne w jej obrębie może być nawet o połowę słabsze niż wynosi średnia dla całej planety. A to oznacza słabszą ochronę przed promieniowaniem kosmicznym dla wszelkich pojazdów kosmicznych znajdujących się nad anomalią. Satelity są tu bardziej narażone na awarie. Kosmiczny Teleskop Hubble’a w ogóle nie może pracować w tym obszarze. Ponieważ nad anomalią przelatuje także Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, została wyposażona w dodatkowe osłony chroniące załogę przed promieniowaniem. Mimo to astronauci mają tam częściej kłopoty z laptopami i narzekają na zaburzenia widzenia.
Kiedy mogą zrealizować się te czarne scenariusze? Nie wiadomo. Mimo dziesięcioleci badań, stosowania najlepszej dostępnej aparatury pomiarowej i symulacji na superkomputerach nasza wiedza o ziemskim polu magnetycznym nadal jest niekompletna.
Prawdopodobnie to starożytni Chińczycy pierwsi zrozumieli, że pewne minerały mają zadziwiające właściwości – potrafią wskazywać północ. Możliwe, że już w II w. p.n.e. mieli do dyspozycji prosty kompas. Wynalazek ten rozpowszechnił się jednak dopiero 1200 lat później i przez wiele stuleci był niezbędny zwłaszcza podczas morskiej żeglugi. A w 1835 r. Carl Friedrich Gauss po raz pierwszy zmierzył ziemskie pole magnetyczne.
Od tamtej pory jest ono nieustannie badane. Wiemy już, że otacza naszą planetę jak gigantyczny niewidzialny kokon. Stanowi on pierwszą linię obrony przed zagrożeniami takimi jak wiatr słoneczny i promieniowanie docierające do nas z odległych zakątków kosmosu. To magnetosfera sprawia, że Ziemię otacza stabilna atmosfera, a na jej powierzchni występuje ciekła woda. Pomiary prowadzone od czasów Gaussa pokazują jednak, że ten kokon nie jest tak stabilny, jak byśmy chcieli. W ciągu ostatnich 150 lat pole magnetyczne Ziemi stawało się stopniowo coraz słabsze, a ostatnio proces ten znacznie przyśpieszył. Takich danych dostarczyły w zeszłym roku satelity Swarm, należące do Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA). Krążą one wysoko nad Ziemią, mierząc dokładnie jej magnetyzm. Ale żeby zrozumieć, skąd się on bierze, trzeba wybrać się na wyprawę w głąb naszej planety.
Skąd to pole?
Pod względnie stałym gruntem, na którym żyjemy, Ziemia jest o wiele gorętsza i bardziej niespokojna. Wysoka temperatura w jej wnętrzu sprawia, że substancje, które dla nas są skałami, występują w formie płynnej. Tworzą one tzw. płaszcz, który ma ok. 2,9 tys. km grubości. Pod nim kryje się jądro Ziemi złożone z dwóch stref. Zewnętrzna to ocean płynnego żelaza i niklu, głęboki na ponad 2 tys. km. Pod nim znajduje się jądro wewnętrzne zbudowane z zastygłego metalu.
Za powstawanie pola magnetycznego odpowiada przede wszystkim jądro zewnętrzne. Naprawdę przypomina ono ocean, ponieważ płynny metal ciągle w nim krąży. Proces ten jest burzliwy i bardzo chaotyczny. Wpływa na niego zarówno olbrzymia temperatura wnętrza Ziemi, jak i jej ruch wokół własnej osi. Te nieustanne ruchy ogromnych mas metalu powodują, że nasza planeta zachowuje się jak ogromny elektromagnes czy też znane niegdyś rowerzystom dynamo. Potężne pole magnetyczne wydostaje się z jądra i otacza całą Ziemię. W rezultacie mamy dwa bieguny magnetyczne – położone w pobliżu tych geograficznych – gdzie pole jest najsilniejsze.
Diabeł jednak tkwi w szczegółach. Uczeni do dziś wiedzą bardzo mało o tym, co dzieje się w jądrze. Powody są oczywiste – nie potrafimy wysłać tam żadnej aparatury badawczej. Możemy tylko badać echa tych procesów, docierające do nas przez tysiące kilometrów roztopionych metali i skał. Na podstawie tych skąpych danych nie sposób przewidzieć tego, co się zdarzy w przyszłości. To trochę tak, jak byśmy chcieli zrobić długoterminową prognozę pogody, mając do dyspozycji tylko kilkadziesiąt mało dokładnych stacji meteo.
Na razie więc nie wiemy nawet, dlaczego Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne. Wiemy natomiast, że nie są one stabilne. Cały czas zmieniają położenie, a raz na jakiś czas zamieniają się miejscami. Najbardziej powinniśmy obawiać się tego, co się będzie działo podczas tej zamiany.
Co się może stać podczas zaniku pola magnetycznego?
- Silniejsze promieniowanie kosmiczne – zwiększone ryzyko nowotworów skóry
- Zmiany tras migracji niektórych zwierząt – większe ryzyko wymierania niektórych gatunków ptaków czy ryb
- Częstsze awarie systemów komputerowych – utrata danych, utrudnienia w dostępie do usług internetowych
- Zakłócenia komunikacji radiowej – problemy z korzystaniem z telefonów komórkowych, krótkofalówek itd.
- Uszkodzenia linii wysokiego napięcia – przerwy w dostawach elektryczności, możliwe awarie elektrowni atomowych
- Zakłócenia w pracy lub zniszczenie sztucznych satelitów – brak nawigacji satelitarnej (częstsze katastrofy lotnicze i morskie), utrudnione monitorowanie klęsk żywiołowych, gorsze prognozy pogody, zakłócenia w odbiorze telewizji, wolniejszy transfer danych w internecie
Bieguny wędrują tu i tam
W 1831 r. północny biegun magnetyczny znajdował się na półwyspie Boothia (północne krańce Kanady). Od tamtej pory nieustannie wędrował w kierunku bieguna geograficznego, ale też skręcał na południe, w kierunku Azji. Jeśli dalej będzie poruszał się w tym kierunku, niedługo wyląduje na Syberii.
Zdaniem naukowców takie wędrówki w połączeniu z osłabieniem pola magnetyczne-go całej Ziemi zapowiadają szybkie przebiegunowanie, czyli przemagnesowanie całej planety. Jak szybkie? Jeszcze do niedawna wydawało się, że proces ten zajmuje tysiące lat. Jednak badania opublikowane jesienią ubiegłego roku pokazały, że może to się odbyć za naszego życia. W czasie ostatniego przemagnesowania Ziemi, które nastąpiło 786 tys. lat temu, bieguny zamieniły się miejscami w ciągu zaledwie stu lat! „To zadziwiające, że ostatnie przemagnesowanie wydarzyło się tak nagle. Nie wiemy, czy kolejne może zajść równie szybko, ale nie ma powodu, by tak się nie stało. A to oznacza, że trzeba poważnie myśleć o konsekwencjach tego zjawiska” – mówi prof. Paul Renne z University of California w Berkeley. Nie sposób dziś jednak przewidzieć, kiedy dokładnie może dojść do przemagnesowania. Dzięki pracy geologów wiemy, że taki proces występował w przeszłości wielokrotnie. Jego ślady zostają w skałach zawierających związki żelaza. I dzięki tym śladom wiemy, że wędrówki biegunów bywają chaotyczne. „W naszej geologicznej przeszłości były fazy, kiedy pole zmniejszało się z prędkością podobną do obecnej, ale proces z niejasnych przyczyn ulegał zahamowaniu i wracało do poprzedniego stanu” – mówi dr Norbert Nowaczyk z Niemieckiego Centrum Nauk o Ziemi.
Czasem bieguny nie zamieniają się miejscami, a jedynie wybierają się na „wycieczkę”, zwaną fachowo ekskursją. „Północny biegun przemieszcza się na południe, prawdopodobnie nawet przekracza równik, ale potem wraca na północ. Możliwe nawet, że w czasie tego procesu Ziemia ma więcej niż dwa bieguny magnetyczne!” – dodaje dr Nowaczyk. A takie zamieszanie oznacza m.in., że chroniąca nas magnetosfera staje się słabsza i „dziurawa”.
Które planety mają pole magnetyczne?
Aby mogło się ono pojawić, potrzebne są dwa podstawowe elementy. Pierwszy to obecność chociaż częściowo płynnego jądra wewnątrz planety. Drugi – szybkość, z jaką kręci się ona wokół własnej osi (im większa, tym lepiej).
- Jowisz Otacza go bardzo silne pole magnetyczne. Powstaje ono dzięki bardzo szybkim obrotom planety (doba trwa na niej mniej niż 10 godzin), a także dzięki temu, że jest ona w dużej części zbudowana z płynnego i metalicznego wodoru. We wnętrzu Jowisza zachodzą skomplikowane zjawiska elektryczne, co sprawia, że jest on silnym źródłem fal radiowych.
- Merkury Jest malutki i bardzo powoli się obraca, a mimo to ma własne pole magnetyczne – ponad 130 razy słabsze od ziemskiego. Nie do końca wiadomo, skąd się ono bierze. Prawdopodobnie jądro tej planety jest częściowo płynne. Być może to zasługa Słońca, które znajduje się bardzo blisko i mocno nagrzewa jedną stronę planety.
- Wenus Obraca się bardzo powoli (jedna wenusjańska doba to osiem naszych miesięcy) i choć ma płynne jądro, nie wytwarza ono pola magnetycznego. Mimo to planetę otacza słabe pole magnetyczne. Powstaje ono wskutek interakcji między wiatrem słonecznym a gęstą wenusjańską atmosferą.
- Ziemia Ma silną magnetosferę, ponieważ szybko się obraca (raz w ciągu niecałych 24 godzin). Ma też częściowo płynne jądro, zbudowane z niklu i żelaza – metali, które mają właściwości magnetyczne.
- Mars Ponieważ jest mały, bardzo szybko wystygł. Dlatego choć obraca się prawie tak prędko jak Ziemia, nie posiada już pola magnetycznego. Badania wykazały jednak, że miał je w przeszłości i że mogło na nim dochodzić do zamiany biegunów, tak samo jak na naszej planecie.
- Saturn Wytwarzaną w atmosferze tego gazowego giganta magnetosferę po raz pierwszy wykryła sonda Pioneer 11. Siłą ustępuje tylko Jowiszowi.
- Uran Ma bardzo asymetryczne pole wykryte przez Voyagera 2.
- Neptun Planeta ma dwa bieguny, ale ustawione odwrotnie niż ziemskie.
Przyroda sobie poradzi
Skoro coś takiego zdarzyło się wielokrotnie w przeszłości, jak wpływało to na organizmy żywe? Naukowcy nie są zgodni. Część z nich uważa, że odwrócenie biegunów następuje pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak wzmożona aktywność sejsmiczna Ziemi albo jej zderzenie z asteroidą czy kometą. Takie wydarzenia same w sobie mogłyby mieć katastrofalne skutki dla życia, a zwłaszcza dla naszej cywilizacji.
Jednak paleontolodzy podkreślają, że nie ma dowodów na takie zależności. Magnetyzm ziemski nie zmienił się 66 mln lat temu, gdy w naszą planetę uderzyła asteroida i doprowadziła do wyginięcia dinozaurów. A wtedy, kiedy dochodziło do przemagnesowania – na przykład 262 i 83 mln lat temu – nie odnotowano żadnych katastrof biologicznych.
Przyroda powinna więc sobie poradzić. Dotyczy to nawet tych zwierząt, które wykorzystują magnetyzm do nawigacji. „Dla wielu gatunków nie ma znaczenia, gdzie jest północ, a gdzie południe. Po prostu migrują w kierunku równika albo najbliższego bieguna. Nawet silne anomalie magnetyczne nie powinny doprowadzić do masowego wymierania. Zwierzęta mogą być zdezorientowane, ale większość z nich zaadaptuje się do nowej sytuacji” – wyjaśnia dr Sabine Begall, zoolog z Uniwersytetu Duisburg-Essen.
My też będziemy musieli się przystosować. Potrzebne będą lepiej zabezpieczone satelity i elektronika odporniejsza na zakłócenia. Możemy przebudować sieci energetyczne i elektrownie jądrowe tak, aby na ich pracę nie wpływały zjawiska magnetyczne. Wojskowi już dziś pracują nad systemami nawigacji, które nie potrzebują satelitów GPS.
Burzliwa historia ziemskiego magnetyzmu
Dzięki badaniom geologicznym wiemy, że w przeszłości bieguny magnetyczne Ziemi wielokrotnie zamieniały się miejscami. Zdarzało się to nieregularnie – przerwy między takimi zdarzeniami mogą trwać od kilku tysięcy do milionów lat. Najdłuższe okresy spokoju, trwające nawet do kilkudziesięciu milionów lat, to tzw. superchrony. Ostatnie przebiegunowanie zdarzyło się ok. 786 tys. lat temu i zbiegło się w czasie ze wzmożoną aktywnością wulkanów. Pole magnetyczne było wówczas niestabilne przez ok. 6 tys. lat. Ziemski magnetyzm ma też czasem „humory”, które nie prowadzą do stałego przemagnesowania. To tzw. ekskursje magnetyczne. Jedna z nich miała miejsce podczas ostatniego zlodowacenia, ok. 41 tys. lat temu. Bieguny zamieniły się wprawdzie miejscami, ale tylko na nieco ponad 400 lat.
Naukowcy po cichu liczą też na swoistą samoobronę naszej planety. Nawet gdyby wytwarzane przez jądro Ziemi pole całkowicie zanikło, może je zastąpić inna jego wersja. Takie zjawisko zaobserwowano na Wenus. Jej jądro nie ma właściwości magnetycznych, jednak wiatr słoneczny docierający do górnych warstw atmosfery tej planety wchodzi z nią w interakcje, których efektem jest powstanie słabego pola magnetycznego. Prawa fizyki są nieubłagane. Jądro naszej planety będzie powoli stygło. Pokrywający je ocean płynnego metalu będzie stawał się coraz płytszy. Zdaniem uczonych z Johns Hopkins University właśnie ten proces odpowiada za wędrówki biegunów i to, że zamieniają się one miejscami. Z biegiem czasu zmiany pola magnetycznego stają się coraz częstsze. Wskazują na to wyniki badań geologicznych. Miliardy lat temu przemagnesowanie Ziemi zdarzało się średnio raz na 5 mln lat. Jeśli jednak spojrzymy na dane z ostatnich 10–20 mln lat, ten odstęp zmniejszył się do jakichś 200–250 tysięcy lat. „Kiedyś ziemskie pole magnetyczne było o wiele stabilniejsze” – komentuje fiński uczony Toni Veikkolainen, specjalista od ziemskiego magnetyzmu z Uniwersytetu w Helsinkach.
Ziemia może więc stać się kiedyś podobna do Marsa. Jeszcze ok. 4 mld lat temu Czerwona Planeta miała pole magnetyczne, które pomagało jej utrzymać grubą atmosferę. Być może istniały tam wówczas warunki umożliwiające rozwój organizmów żywych. Potem jednak tarcza chroniąca planetę znikła. „Stało się to zapewne po zastygnięciu marsjańskiego jądra. Inna teoria mówi, że doszło do zderzenia Marsa z wielką asteroidą. Gigantyczny wstrząs zatrzymał działanie wewnętrznego »dynama« planety. Jednocześnie jej atmosfera rozgrzała się do tysięcy stopni Celsjusza i rozwiała się w kosmosie” – wyjaśnia dr Natalia Zalewska, planetolog z Centrum Badań Kosmicznych PAN.
„Kiedy Ziemia ostatecznie utraci pole magnetyczne, zapewne nie uniknie losu Marsa. Jądro planety zastygnie, a wiatr słoneczny i promieniowanie kosmiczne zaczną ją powoli niszczyć” – dodaje uczona. Błękitna planeta zamieni się w pustynię. Dobra wiadomość jest taka, że stanie się to dopiero za miliony czy miliardy lat.
Elektromagnes w jądrze planety
Wnętrze Ziemi składa się ze stosunkowo chłodnego płaszcza (czyli stopionych skał) i gorącego, żelazno-niklowego jądra. To ostatnie jest zbudowane ze stałej części wewnętrznej wielkością przypominającej Księżyc, którą z zewnątrz otacza płynne żelazo. Obracając się planeta wzburza ten metaliczny ocean, który bezustannie krąży pod jej powierzchnią. Ruchy płynnego metalu wytwarzają pole elektromagnetyczne. W efekcie glob działa jak olbrzymi magnes. Gdyby jednak płynna część jądra ochłodziła się i zakrzepła, pole magnetyczne Ziemi zanikłoby w ciągu najdalej 20 tys. lat.
DLA GŁODNYCH WIEDZY:
- Nasze artykuły o satelitach i zagrożeniach ze strony Słońca – www.bit.ly/fcsatelit, www.bit.ly/fcslonce
- Misja ESA mająca na celu obserwację pola magnetycznego – www.esa.int/swarm