Γιατί το γήινο μαγνητικό πεδίο αλλάζει φορά;

Από το National Geographic, 27 Σεπτεμβρίου 2004

Το γήινο μαγνητικό πεδίο έχει αλλάξει πολλές φορές στα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια, σύμφωνα με τις γεωλογικές καταγραφές. Αλλά μόνο κατά την προηγούμενη δεκαετία ανέπτυξαν και εξέλιξαν οι επιστήμονες ένα μοντέλο προσομοίωσης για τους υπολογιστές για να δείξουν πως εμφανίζονται αυτές οι αντιστροφές.

"Μπορούμε να δούμε τις αντιστροφές στους βράχους, αλλά δεν μας λένε το πως συμβαίνουν", λέει ο Gary Glatzmaier, ένας επιστήμονας της Γης και ειδικός στα μαγνητικά πεδία στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στη Santa Cruz.

Ο Glatzmaier μαζί με τον Paul Roberts βασίστηκαν σε ένα σύνολο εξισώσεων της φυσικής που περιγράφουν τις δυνάμεις, τις οποίες οι επιστήμονες θεωρούν ότι δημιουργούν και διατηρούν το μαγνητικό πεδίο,  και δημιούργησαν με αυτές ένα μοντέλο προσομοίωσης για υπολογιστές για να μιμηθούν τις συνθήκες στο εσωτερικό της Γης.

Το παραγόμενο από τον υπολογιστή μαγνητικό πεδίο αντιστρέφεται ακόμη και μόνο του, επιτρέποντας έτσι στους επιστήμονες να εξετάσουν αυτή τη διαδικασία.

Μοντέλο σε υπολογιστές

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το γήινο μαγνητικό πεδίο παράγεται βαθιά μέσα στον πλανήτη μας. Εκεί, η θερμότητα του γήινου στερεού εσωτερικού πυρήνα αναδεύει τον υγρό εξωτερικό πυρήνα, που αποτελείται από σίδηρο και νικέλιο. Η ανάδευση ενεργεί όπως η μεταφορά, η οποία παράγει ηλεκτρικά ρεύματα και, κατά συνέπεια, ένα μαγνητικό πεδίο.

Αυτό το μαγνητικό πεδίο προστατεύει το μεγαλύτερο μέρος των περιοχών του πλανήτη μας που κατοικούνται  από τα φορτισμένα σωματίδια που προέρχονται από το διάστημα, κυρίως από τον ήλιο. Το μαγνητικό πεδίο εκτρέπει τα κινούμενα σωματίδια προς τους γήινους Πόλους.

Τα αποτελέσματα της εξαφάνισης θα μπορούσαν να είναι καταστροφικά. Ισχυρές κοσμικές εκρήξεις, που κανονικά δεν αγγίζουν ποτέ την ατμόσφαιρα, θα υπερθερμάνουν τα ανώτερα στρώματά της, προκαλώντας κλιματολογικές αλλαγές. Οι διάφοροι δορυφόροι, τα γήινα μάτια και αυτιά, θα καταστραφούν προκαλώντας μεγάλη σύγχυση.

Επειδή πολλά είδη μεταναστευτικών ζώων και πτηνών στηρίζουν την έμφυτή τους ικανότητα να προσανατολίζονται στο γήινο μαγνητικό πεδίο, θα είχαν να αντιμετωπίσουν τραγικές συνέπειες. Μάλιστα στον Άρη, όταν κατέρρευσε το μαγνητικό του πεδίο πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, δημιουργήθηκε η σημερινή κατάσταση, μια θερμότατη ατμόσφαιρα κάτω από την οποία είναι αδύνατον αν ζήσουν οι σημερινοί γήινοι οργανισμοί.

Το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας αντιστρέφεται, περίπου, μια φορά κάθε 200.000 χρόνια κατά μέσον όρο. Εντούτοις, ο χρόνος μεταξύ των αντιστροφών είναι ιδιαίτερα μεταβλητός. Το γήινο μαγνητικό πεδίο την τελευταία φορά που αντιστράφηκε ήταν πριν 780.000 χρόνια, σύμφωνα με το γεωλογικό αρχείο της γήινης πολικότητας.

Οι πληροφορίες αυτές συλλέγονται όταν σκεπάζει λειωμένη λάβα πάνω στο γήινο φλοιό μετά από την έκρηξη ενός ηφαιστείου και ακολούθως σκληραίνει, όπως τα ρινίσματα του σιδήρου που τοποθετούνται σε ένα κομμάτι του χαρτονιού ευθυγραμμίζονται με το πεδίο ενός μαγνήτη, που βρίσκεται κάτω από αυτά.

Οι περισσότεροι επιστήμονες θεωρούν ότι το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη παίζει το ρόλο ενός τεράστιου γεωδυναμό. Ο όρος αυτός περιγράφει το θεωρητικό φαινόμενο που θεωρείται ότι παραγάγει και διατηρεί το γήινο μαγνητικό πεδίο. Εντούτοις, δεν υπάρχει κανένας τρόπος να κοιτάξουμε άμεσα, κάπου, 6.400 χιλιόμετρα στο κέντρο της Γης για να παρατηρήσουμε αυτή τη διαδικασία σε δράση.

Αυτή η αδυναμία κέντρισε το ενδιαφέρον των Glatzmaier και Roberts για να αναπτύξουν το υπολογιστικό μοντέλο τους το 1995. Από τότε, συνεχίζουν να το κάνουν πιο λεπτομερές και να το εξελίσσουν χρησιμοποιώντας ακόμα πιο περίπλοκους και γρηγορότερους υπολογιστές.

Το μοντέλο τους είναι ουσιαστικά ένα σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν τη φυσική του γεωδυναμό. Το πρόγραμμα τους τρέχει συνεχώς, και κάθε λύση προωθεί τον χρόνο κατά μία εβδομάδα στο παρελθόν. Τώρα το μοντέλο υπολογίζει μια εποχή πριν 500.000 χρόνια, λέει ο Glatzmaier.

Με τη μελέτη του μοντέλου, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι, καθώς το γεωδυναμό παράγει νέα μαγνητικά πεδία, τα νέα πεδία  ευθυγραμμίζονται συνήθως στην κατεύθυνση του υπάρχοντος μαγνητικού πεδίου.

"Αλλά πότε-πότε μια διαταραχή στρέφει το μαγνητικό πεδίο προς μια διαφορετική κατεύθυνση και συνεισφέρει λίγο σε μια αντιστροφή των πόλων", εξηγεί ο Glatzmaier.

Αυτές οι μικρές συνεισφορές της αντιστροφής των πόλων αναφέρονται ως αστάθειες. Εμφανίζονται συνεχώς στη ρευστή ροή του πυρήνα, εν τούτοις με ένα πολύ αργό ρυθμό, περίπου ένα βαθμό γεωγραφικού πλάτους ετησίως.

Συνήθως, οι αστάθειες είναι προσωρινές. Αλλά σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις, οι συνθήκες είναι αρκετά ευνοϊκές που η πολικότητα γίνεται ολοένα και μεγαλύτερη, καθώς η αρχική πολικότητα διαλύεται. Εάν αυτή η νέα πολικότητα κυριαρχήσει σε ολόκληρο τον πυρήνα, προκαλεί μια αντιστροφή των πόλων.

"Είναι ένα πολύ περίπλοκο, χαοτικό σύστημα, και έχει μια δική του ζωή", αναφέρει ο Glatzmaier.

Ο Peter Olson, ένας γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη, είπε ότι οι επιστήμονες μπορούν τώρα να επισημάνουν το όριο μεταξύ του πυρήνα και του μανδύα, εκεί όπου  συμβαίνουν αυτές οι αστάθειες στο μαγνητικό πεδίο.

Μια τέτοια διαταραχή παρατήρησε ο Olson πρόσφατα ότι έχει διαμορφωθεί πάνω από τον κέντροα-ανατολικό  Ατλαντικό Ωκεανό. Σαν ένα μικρό τυφώνα, η ανωμαλία πήγε προς την Καραϊβική Θάλασσα και κινείται στην κατεύθυνση της Βόρειας Αμερικής.

"Είναι μια νέα και μικρή κατάσταση", λέει ο Olson. "Ο χρόνος θα δείξει εάν αναπτύσσεται σε κάτι σημαντικό. Μπορούμε να την ακολουθήσουμε και την επόμενη εικοσαετία".

Οι αστάθειες όπως αυτή, προσθέτει ο Olson, αναγκάζουν το γήινο μαγνητικό πεδίο να αποδυναμωθεί. Σήμερα το μαγνητικό πεδίο είναι περίπου 10% πιο ασθενές από τότε που ο γερμανός μαθηματικός Carl Friedrich Gauss πρώτος το μέτρησε το 1845. Μερικοί επιστήμονες σκέπτονται ότι το πεδίο κατευθύνεται για να αντιστραφεί.