Przebiegunowanie zmieni świat

Znajomość położenia biegunów magnetycznych naszej planety jest niezbędna do utrzymania prawidłowego działania systemów nawigacyjnych. W odróżnieniu od geograficznego bieguna północnego, który jest stale wyznaczony w miejscu, gdzie stykają się wszystkie południki, biegun magnetyczny jest punktem, który może zmieniać swoje położenie i wcale nie znajdować się na samej północy planety.

Obecnie jest on zlokalizowany cztery stopnie na południe od geograficznego bieguna północnego, na kanadyjskiej Wyspie Ellesmere'a w terytorium Nunavut. Nie zawsze tak jednak było.

Wieczny wędrowiec

W połowie XIX wieku północny biegun magnetyczny „przemieszczał" się znacznie dalej na południe, wędrując niemal po całej północnej Kanadzie. Ta nieustanna zmiana adresu jest bardzo ważna przede wszystkim dla transportu, ponieważ kompasy magnetyczne wciąż stanowią podstawę nowoczesnej nawigacji – od systemów używanych przez cywilne lotnictwo i marynarkę handlową po lotnictwo wojskowe i marynarkę wojenną. W 1965 r. naukowcy opracowali matematyczną symulację ziemskiego pola magnetycznego, pozwalającą na lepsze śledzenie zmian położenia biegunów magnetycznych. Od tej pory jest ona aktualizowana średnio co pięć lat. Ostatnim razem zmianę przeprowadzono w 2015 r.

Wydawało się, że nie ma potrzeby poprawiać jej przed 2020 r. Jednak na początku 2018 r. okazało się, że zmiana przeprowadzana w 2015 jest już nieaktualna. Zwyczajnie nie nadąża za nieustanną wędrówką bieguna po Morzu Arktycznym. Przez to wiele systemów nawigacyjnych miało niepoprawne odczyty. Zdecydowano zatem uwspółcześnić położenie bieguna przed planowanym terminem. Prace zakończono 4 lutego br. Naukowcy nadal próbują wyjaśnić gwałtowne zmiany, jakie zachodzą w jądrze Ziemi, które wpływają na chaotyczne zachowanie bieguna magnetycznego.

Dziwaczny taniec północnego bieguna magnetycznego odkryto pierwszy raz prawie 400 lat temu, gdy angielski matematyk Henry Gellibrand zdał sobie sprawę, że w ciągu zaledwie 50 lat biegun „przeskoczył" o setki mil bliżej bieguna geograficznego.

– To było wielkie odkrycie nauki, gdy okazało się, że pole magnetyczne naszej planety nie jest statyczne, tylko dynamiczne – mówi szwajcarski geofizyk Andrew Jackson. Kolejne zmiany dowiodły, że pole magnetyczne Ziemi nie jest po prostu dynamiczne, ale całkowicie nieprzewidywalne.

– Mamy poważny kłopot, ponieważ do tej pory nie stworzyliśmy metody naukowej, która pozwalałaby nam określić, jak zmienią się pola w przyszłości – podkreśla dr Jackson. Naukowcy z coraz większym niepokojem zaczęli śledzić znaną nam historię pole magnetycznego. Do tego celu wykorzystali pierwsze zachowane mapy magnetyczne, rysowane ręcznie przez żeglarzy od XVII do XIX wieku. Ujawniły one, że przez dwa stulecia północny biegun magnetyczny poruszał się pośród wielu wysp i przesmyków Archipelagu Arktycznego.

Około 1860 r. ostro skręcił na zachód i skierował się ku Syberii. Od tego czasu biegun przebył prawie 1500 mil i został niedawno oznaczony niemal w samym środku Oceanu Arktycznego, wciąż jednak w drodze do Rosji.

Naukowcy przypisują to zamiłowanie bieguna do włóczęgi przelewaniu się żelaznego jądra naszej planety. To żelazo jest prężne, raz gęstnieje, a raz puchnie, chłodzi się, a następnie opada. Ten ruch oddziałuje na zmiany ziemskiego pola magnetycznego.

Aby dokładniej odwzorować te reorientacje, naukowcy brytyjscy i amerykańscy stworzyli 55 lat temu symulację Światowego Modelu Magnetycznego.

Precyzyjna mapa tych zwrotów, która istnieje w obecnej formie od 1990 r., została opracowana na zlecenie amerykańskich i brytyjskich sił zbrojnych w ramach programów National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) i British Geological Survey (BGS).

Oprócz GPS, systemy nawigacyjne wykorzystywane przez satelity, samoloty, statki, okręty podwodne i inne pojazdy polegają na kompasach magnetycznych. Mapa zmian położenia biegunów magnetycznych Ziemi jest niezbędna, aby zachować pewność, że pojazdy przemieszczają się we właściwym kierunku. Najbardziej widocznym tego znakiem jest znajdujące się na końcu każdego lotniczego pasa startowego oznaczenie, gdzie duże białe cyfry odzwierciedlają kurs magnetyczny drogi startowej.

Apokalipsa magnetyczna

Wędrujący biegun magnetyczny potrafi narobić transportowi lotniczemu bardzo kosztownych problemów. Na przykład w styczniu 2011 r. międzynarodowe lotnisko Tampa na Florydzie zostało zamknięte właśnie z powodu przesuwania się północnego bieguna magnetycznego Ziemi. Służby lotniska musiały wyłączyć z ruchu pasy startowe ze względu na konieczność oznakowania pasów do zmiany pola magnetycznego. Na głównym pasie startowym w Tampie zmieniono oznaczenie z 18R/36L na 19R/1L. Wymusiło to także zmianę sygnatury innych pasów. Poprawienie oznakowania na Florydzie nie oznaczało jednak, że musiały to zrobić inne porty lotnicze. Odczyt pola magnetycznego jest bowiem odmienny w różnych punktach globu. Roczne zmiany położenia bieguna magnetycznego sięgają kilku stopni, nie wymagają zatem corocznych aktualizacji napisów na pasach. Jednak zmiany na lotnisku w Miami wskazują, że wędrujący biegun zaskoczył w 2011 r. przedstawicieli transportu lotniczego.

Na podstawie badań osadów wulkanicznych wiemy, że natężenie pola magnetycznego Ziemi podlegało nieustannym zmianom. W 2010 r. zespół profesora Johna Tarduno z University of Rochester odkrył najstarsze dowody istnienia pola magnetycznego Ziemi. Amerykańscy naukowcy opracowali metodę badania drobinek minerałów żelaza, które wiążą się w stygnącej lawie. Kiedy temperatura lawy spada poniżej 580 stopni Celsjusza, drobinki żelaza z zapisem stanu pola magnetycznego zastygają wewnątrz skały.

Analiza przeprowadzona przez Tarduno wykazała, że 3,45 mld lat temu siła pola magnetycznego naszej planety była dwukrotnie mniejsza niż obecnie. Także badania geologiczne wykazały, że co pewien czas w historii Ziemi dochodzi do zamiany biegunów miejscami.

Naukowcy dowiedli, że przebiegunowania magnetyczne następowały po sobie w odstępach od 10 tysięcy do 50 milionów lat. Zazwyczaj wiązało się to z zanikiem pola magnetycznego, co oznaczało, że powierzchnia planety była smagana wiatrem słonecznym – zjonizowanymi cząstkami plazmy składającymi się z protonów, elektronów i cząstek alfa wyrzuconych z korony słonecznej. Normalnie ruch tych cząstek w kierunku naszej planety jest deformowany przez ziemskie pole magnetyczne – naszego największego obrońcę przed promieniowaniem kosmicznym. Zmiana polaryzacji magnetycznej Ziemi jest jednak okresem, kiedy pole magnetyczne zanika, przez co w przyszłości nie tylko może ulec zakłóceniu większość urządzeń, ale przede wszystkim promieniowanie kosmiczne zagrozi bezpośrednio wszelkiemu życiu na powierzchni planety. Czy przy najbliższym przebiegunowaniu czeka nas zatem czas masowego wymierania gatunków, w tym także naszego?

Wiele wskazuje, że nasi przodkowie mogli przeżyć taki „kataklizm". Prof. Paul Roberts z UCLA wykonał model numeryczny elektromagnetyzmu Ziemi, z którego wynika, że być może taka katastrofa miała już miejsce 40 tys. lat temu. W tym czasie pole zanikało całkowicie lub chaotycznie zmieniało kierunki. Nie odnaleziono jednak śladów masowego wymierania z tego okresu.

Biegun przyśpiesza

Czy obecnie jesteśmy w stanie z wyprzedzeniem przewidzieć, gdzie przemieszczą się bieguny magnetyczne Ziemi? Podobnie jak w przypadku pogody, dokładne przewidzenie miejsca, w którym przesuwa się biegun, jest niemożliwe. Wykorzystując jednak dane z satelitów i z naziemnych obserwatoriów, stworzono symulację ukazującą, jak zmieniało się pole magnetyczne w ciągu kilku ostatnich lat i jak będzie przemieszczać się w przyszłości.

Niestety, wykonane na początku 2018 r. pomiary wykazały, że model z 2015 r. przewidujący zmiany w ziemskim polu magnetycznym ma istotne nieścisłości. – Zauważyliśmy, że błąd lokalizacji bieguna magnetycznego w Arktyce wzrastał szybciej, niż oczekiwaliśmy – powiedział Arnaud Chulliat, geofizyk z University of Colorado w Boulder i National Oceanic and Atmospheric Administration.

Chociaż północny biegun magnetyczny długo „przemieszczał się" z Kanady w kierunku Syberii, tempo, w jakim porusza się obecnie, wskazuje na dramatyczne zmiany w jądrze Ziemi. Przez większość XX wieku biegun dryfował z prędkością około 10 kilometrów rocznie. W latach 80. ubiegłego wieku przyspieszył by do roku 2000 podróżowa z Kanady w kierunku Syberii z prędkością ok. 56 km rocznie.

W 2015 r. magnetyczny wędrowiec zwolnił do ok. 48 km rocznie. Zespół wydał zatem najnowszą mapę magnetyczną z błędem, bo naukowcy przewidywali dalszy spadek prędkości.

Tuż po opublikowaniu modelu północny biegun magnetyczny ponownie zmienił miejsce i prędkość. Obecnie przemieszcza się w granicach 56 km rocznie.