Milana Feng Shui
Обо мнеОбучениеФэн ШуйУслугиФизиогномикаСтатьиГуа

Когда север идёт на юг

Перевороты магнитного поля

Несмотря на то, что корабли, самолёты и бойскауты руководствуются им, магнитное поле Земли не является таким надёжным и неизменным, как вы могли бы подумать. Окаменелости лавы в штате Орегон говорят о том, что 16 миллионов лет назад магнитный север передвигался на 6 градусов в день в течение небольшого промежутка времени. Примерно через неделю компасная стрелка должна была указывать в сторону города Мехико.

Лава застала магнитное поле в процессе его переворачивания. Магнитный север движется на юг, и - в течение примерно 1000 лет - поле совершает полный переворот. Хотя информация, полученная в штате Орегон, спорная, учёные соглашаются в том, что в целом геологические данные - "палеомагнитные" записи - подтверждают, что подобные перевороты случались много раз в течение последнего миллиарда лет.

"Между некоторыми переворотами проходило всего несколько десятков тысяч лет", - говорит учёный Гари Глатцмайер из лаборатории в Лос Аламос, - "были также и другие периоды, когда перевороты не происходили в течение десятков миллионов лет". Как происходят эти перевороты, и почему они случаются через разные промежутки времени? Геологические данные, бесценный источник информации о происходящем, только безмолвно "пожимают плечами", когда появляются дополнительные вопросы.

В связи с этим возникает вопрос, почему вместо постепенного угасания, как обычно обстоит дело с магнитным полем, предоставленным самому себе, магнитное поле Земли до сих пор остаётся сильным спустя миллиарды лет? Говорят, что Эйнштейн считал это одной из наиболее важных неразрешённых проблем физики. После года вычислений на Питсбургском CRAY C90, и двухтысячечасовой обработки информации, Глатцмайер и сотрудник UCLA Пол Робертс сделали большой шаг к разрешению проблемы. Их цифровая модель электромагнитных изменяющихся динамических процессов внутри Земли восстановила основные особенности магнитного поля за прошедшие 40 тысяч лет. В завершении всего компютерно-сгенерированное поле перевернулось.

"Мы не ожидали этого", - говорит Робертс, - "и были в восторге. Это дало нам уверенность, что мы нашли достоверную связь между теорией и палеомагнитными данными". Их удивительные результаты предоставили взгляд изнутри Земли на геомагнитные феномены, которые не наблюдались на практике и не были ожидаемы в теории. Более того, модель Глатцмайера-Робертса предложила на первое время логически последовательное объяснение переворота магнитного поля.

Путешествие к центру Земли

Грубо говоря, Земля похожа на вишню в шоколаде, содержащую жидкость под поверхностью и твёрдое внутреннее ядро. Под относительно тонким верхним слоем планеты находится толстый твердый слой, называемый мантией. Между мантией и внутренним ядром находится жидкий слой - внешнее ядро. В соответствии с общепринятой теорией - "теорией динамо" - взаимодействие между крутящимся вихревым потоком расплавленного материала во внешнем ядре и магнитным полем производит электрический ток, что, в свою очередь, создаёт новую магнитную энергию, которая поддерживает поле. "Типичная продолжительность жизни магнитного поля, такого как у Земли", - говорит Глатцмайер, - "это несколько десятков тысяч лет. Тот факт, что оно существует миллиарды лет, означает, что что-то заставляет его возрождаться каждый раз".

Как мы можем узнать, что теория динамо является верной? К сожалению, несмотря на наше желание узнать, что происходит внутри планеты, на которой мы живём, путешествие к центру Земли, как в романе Жюля Верна, до сих пор является лишь вымыслом. Нет возможности ни проникнуть на 4000 миль к центру Земли, ни проследить за движением жидкости или магнетизмом во внешнем ядре.

Компьютерная модель Глатцмайера-Робертса может стать следующей прекрасной вехой в исследовании внутренности Земли. В то время как другие модели давали подтверждение в состоятельности существующих теорий, они были ограничены двумерным подходом, что приводило к упрощенным схемам. Робертс и Глатцмайер изобрели трёхмерную модель, базирующуюся на компьютерной программе Глатцмайера, разрабатывавшейся много лет, которая позволила бы сложным взаимодействиям между движением жидкости и магнитным полем развиваться спонтанно - другими словами, быть решёнными "самими собой".

Оглядываясь назад можно сказать, что у них были скромные цели. "Главным образом", - говорит Робертс, - "мы хотели получить геомагнитное поле, которое поддерживало бы себя дольше времени его естественного затухания. Никто до сих пор не делал этого, позволяя модели развиваться самой по себе".  После приблизительно года ежедневной работы, когда отведённое на моделирование время было почти на исходе, модель привела к моменту "Эврика!"

Само по себе полное изменение поля является веским подтверждением модели, и другие детали - размеры и структура поля - также согласуются с тем, что мы наблюдаем на поверхности Земли. Эта имитация также даёт прекрасное понимание динамических сил, которые поддерживают магнитное поле и заставляют его полюса меняться местами. В противовес тому, что полагалось до этого времени, эта модель показывает, что во внутреннем ядре магнитное поле имеет противоположную относительно внешнего ядра полярность, что стабилизирует поле, удерживая от тенденции к более частому переворачиванию.

"Никто даже не мечтал об этом", - говорит Глатцмайер. "Это приятная сторона суперкомпьютера. Вы можете просто позволить ему делать его работу, решать уравнения снова и снова - большое количество переменных, влияющих друг на друга, с нелинейными связями, которые очень трудно вычислить. Это прекрасная проблема для суперкомпьютера, и просто удивительно смотреть на эту структуру и динамику, которую раньше никто себе даже не представлял".

Трёхмерная модель магнитного поля Земли, с направленными внутрь (голубые) и наружу (жёлтые) линиями поля. Линии поля тянутся из ядра на расстояние двух земных радиусов. Хорошо заметна граница между ядром и мантией – там структура поля становится сложной.


Переворот магнитного поля Земли

Смоделированная модель включает 9000 лет до, во время и после магнитного переворота. Внешний круг представляет границу жидкого внешнего ядра; внутренний круг - внутреннего твёрдого ядра. Левое полушарие показывает контуры магнитного поля, направленные по часовой стрелке (зелёные) и против часовой стрелки (жёлтые). Правое полушарие показывает контуры, направленные на запад (синий) и восток (красный), наружу и внутрь плоскости изображения.

Левое полушарие показывает, что поле, проникающее во внутреннее ядро, имеет полярность, противоположную внешнему ядру, - факт абсолютно неожиданный для существующей теории. "Полярность внешнего ядра", - объясняет Глатцмайер, - "постоянно пытается проникнуть во внутреннее ядро. Только когда всё поле почти полностью распадётся (см. среднюю иллюстрацию), у него в конце концов появляется шанс проникнуть внутрь. Как только это происходит, полярность меняется. Полярность внутреннего ядра - это стабилизирующая сила, как якорь - наиболее медленно меняющаяся величина".

© Pittsburgh Supercomputing Center (PSC), Carnegie Mellon University, University of Pittsburgh
Перевод © Милана Минаева, 2005
Оригинал статьи находится по адресу http://www.psc.edu/science/glatzmaier.html

© 2004 - 2016 Милана Минаева