Η αντιστροφή των πόλων είναι κοντά

Πηγή: Cosmos Online, 5 Μαΐου 2008

Μια αντιστροφή του γήινου μαγνητικού πεδίου θα μπορούσε να συμβεί πιο σύντομα από όσο νομίζαμε μέχρι τώρα, σύμφωνα με ολλανδούς επιστήμονες που αναφέρουν ότι το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη γίνεται βαθμιαία λιγότερο σταθερό.

Μια αντιστροφή των πόλων θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις σε όλα: από τη ναυσιπλοΐα και τον επικοινωνιακό εξοπλισμό έως τη σύνθεση της ατμόσφαιρας, λένε οι εμπειρογνώμονες. Η μαγνητόσφαιρα της Γης μας προστατεύει από τις επικίνδυνες εξάρσεις των ηλιακών καταιγίδων και τον ηλιακό άνεμο.

Η έκθεση, που δημοσιεύθηκε στο βρετανικό περιοδικό Nature Geoscience, διαπίστωσε ότι οι αντιστροφές είναι πολύ πιο συνηθισμένες τα τελευταία 200 εκατομμύρια χρόνια, από όσο ήταν παλιά στην ιστορία του πλανήτη.

Πόλοι που περιπλανώνται

Οι ερευνητές, που καθοδηγήθηκαν από τον Andrew Biggin του πανεπιστημίου της Ουτρέχτης, έκαναν αυτή την ανακάλυψη όταν ανέλυσαν βράχους που διαμορφώθηκαν μεταξύ 2,45 έως 2,82 δισεκατομμύρια έτη πριν.

Η ιστορία του γήινου μαγνητικού πεδίου γράφεται στους βράχους με το πέρασμα του χρόνου. Επειδή αυτοί οι βράχοι "μαγνητίζονται" κατά την διάρκεια του σχηματισμού τους, οι επιστήμονες μπορούν να ανακαλύψουν ποια κατεύθυνση είχαν τότε οι πόλοι και πόσο ισχυρό ήταν το γήινο μαγνητικό πεδίο εκείνη την περίοδο.

Οι μαγνητικοί πόλοι δεν μένουν σταθεροί σε ένα σημείο αλλά περιπλανιούνται γύρω από την γειτονιά των γεωγραφικών πόλων όλη την ώρα - ο βόρειος μαγνητικός πόλος βρίσκεται αυτήν την περίοδο στην καναδική Αρκτική. Εντούτοις, σε σχετικά τακτά χρονικά διαστήματα σε όλη την ιστορία των 4,5 δισεκατομμυρίων ετών του πλανήτη, οι μαγνητικοί πόλοι έχουν αντιστραφεί εντελώς. Μερικές χιλιάδες χρόνια πριν από μια αντιστροφή, το μαγνητικό πεδίο αρχίζει βαθμιαία να γίνεται πιο ασθενές, κάτι που θα μπορούσε να προκαλέσει προβλήματα στους κατοίκους του πλανήτη.

"Το γήινο μαγνητικό πεδίο είναι σημαντικό για την προστασία της ατμόσφαιρας, και σε μας, από την καταστροφή που προκαλείται από τον ηλιακό άνεμο," εξηγεί ο Biggin. "Χρησιμοποιείται, επίσης, από μας και άλλα είδη (κυρίως τα μεταναστευτικά πουλιά) για τη ναυσιπλοΐα". Μια αύξηση στον ηλιακό άνεμο θα αναστάτωνε τα ηλεκτρικά δίκτυα και τις επικοινωνίες.

Τα τρέχοντα αρχεία μετρήσεων προτείνουν ότι η επόμενη αντιστροφή έχει ήδη αργήσει λέει. "Κατά μέσον όρο, υπάρχει μια αντιστροφή σε κάθε 400.000 χρόνια περίπου, αλλά αυτό μεταβάλλεται αρκετά." Το γεωλογικό αρχείο προτείνει ότι η τελευταία αντιστροφή έγινε περίπου πριν 800.000 χρόνια.

Επιπλέον, υπάρχουν ήδη στοιχεία για να αποδειχτεί ότι το πεδίο έχει αποδυναμωθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων αιώνων - μερικά αρχαιολογικά υπολείμματα προτείνουν ότι το πεδίο ήταν πολύ ισχυρότερο στην εποχή της ρωμαϊκής αυτοκρατορίας, περίπου 2.000 χρόνια πριν.

Μην πετάξετε την πυξίδα σας

Μην πετάξετε όμως την πυξίδα σας, μπορεί να μην συμβούν σημαντικές αλλαγές στη διάρκεια της ζωής μας. "Η διαδικασία της αντιστροφής είναι πολύ απρόβλεπτη," λέει ο Biggin. "Θα μπορούσαμε να είμαστε στην αρχή μιας αντιστροφής που θα συνέβαινε στους επόμενους αιώνες, ή και σε μερικά εκατομμύρια χρόνια".

Ακόμα και τότε, η αντιστροφή θα είναι μια αργή διαδικασία, η οποία μπορεί να κρατήσει μερικές χιλιάδες χρόνια για να ολοκληρωθούν.

Αλλά τι θα γίνει στους ζωντανούς οργανισμούς; Μια άλλη δημοσίευση, στο Nature, πρότεινε ότι μερικά είδη που στηρίζονται στο μαγνητικό πεδίο για τα ταξίδια τους ή τον προσανατολισμό τους, έχουν κτυπηθεί από τις αντιστροφές πόλων στο παρελθόν.

Ο συντάκτης εκείνης της έρευνας David Gubbins, του πανεπιστημίου του Λιντς στην Αγγλία, τονίζει ότι μερικοί μονοκύτταροι οργανισμοί που στηρίχθηκαν στο μαγνητισμό, πιθανά εξαφανίστηκαν κατά τη διάρκεια των προηγούμενων αντιστροφών. Τα ανθρώπινα όντα επέζησαν των αντιστροφών στο παρελθόν, εντούτοις, προσθέτει ο Gubbins, "πιθανά μπορεί να βγούμε σώοι στην επόμενη αντριστροφή."

Τα αρχεία του παλαιομαγνητισμού δείχνουν ότι το γεωμαγνητικό πεδίο υπάρχει για τουλάχιστον τρία δισεκατομμύρια χρόνια. Εντούτοις, το πεδίο που βασίζεται στο μέγεθος και την ηλεκτρική αγωγιμότητα του γήινου πυρήνα, εάν δεν παραγόταν συνεχώς, θα είχε διασπαστεί περίπου σε 20.000 χρόνια, καθώς η θερμοκρασία του πυρήνα είναι πάρα πολύ υψηλή για να στηρίξει το μόνιμο μαγνητισμό. Επιπλέον, τα αρχεία του παλαιομαγνητισμού δείχνουν ότι η πολικότητα του μαγνητικού πεδίου έχει αντιστραφεί πολλές φορές κατά το παρελθόν, ο μέσος χρόνος μεταξύ των αντιστροφών είναι κατά προσέγγιση 400.000 χρόνια. Υπάρχουν βέβαια και μεμονωμένα γεγονότα αντιστροφής που κρατούν λίγες χιλιάδες χρόνια.

Ο James Ross εντόπισε το Βόρειο Πόλο για πρώτη φορά το 1831 μετά από ένα εξαντλητικό αρκτικό ταξίδι κατά τη διάρκεια του οποίου το σκάφος του είχε κολλήσει στον πάγο για τέσσερα χρόνια. Κανένας άλλος δεν ξαναπήγε εκεί κατά τον 19ο αιώνα. Το 1904, ο Roald Amundsen βρήκε τον Βόρειο Πόλο αλλά ανακάλυψε ότι είχε μετακινηθεί -- τουλάχιστον 50 km από την εποχή του Ross.

Μάλιστα ο Βόρειος Πόλος συνεχίζει να κινείται, κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, με μια μέση ταχύτητα 10 km ετησίως, πρόσφατα δε επιταχύνθηκε και έφτασε τα 40 km ετησίως. Με αυτό το ρυθμό θα αφήσει τη Βόρεια Αμερική και σε μερικές δεκαετίες θα φθάσει στη Σιβηρία.

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι ο κύριος μηχανισμός για τη δημιουργία και τη διατήρηση του μαγνητικού πεδίου είναι ο μηχανισμός του δυναμό (self excited dynamo). Η φυσική αρχή του δυναμό είναι απλή και βασίζεται στις ίδιες αρχές που λειτουργεί και το δυναμό ενός ποδηλάτου. Φυσικά στην περίπτωση της Γης η κατανόηση του φαινομένου ούτε απλή είναι ούτε και πλήρης.

Η λειτουργία ενός δυναμό στηρίζεται στην αρχή της επαγωγής. Η σχετική δηλαδή κίνηση ενός αγωγού μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, θα εμφανίσει στα άκρα του αγωγού μια ηλεκτρική τάση. Κι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μέσα στον αγωγό υπάρχουν ελεύθερα φορτία (ηλεκτρόνια δηλαδή) που κινούνται μαζί με τον αγωγό. Οπότε αφού κινούνται μέσα στο μαγνητικό πεδίο αυτά τα φορτία (ηλεκτρόνια) θα δεχτούν μία δύναμη Lorentz κάθετη στο μαγνητικό πεδίο και την διεύθυνση κίνησης. Η κίνηση αυτή των ηλεκτρονίων έχει σαν αποτέλεσμα να δημιουργείται ρεύμα μέσα στον αγωγό. Όμως αυτό το ρεύμα με τη σειρά του μπορεί να δημιουργήσει μαγνητικό πεδίο, το οποίο συνεισφέρει στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Στην περίπτωση της Γης τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά γιατί έχουμε το πρόβλημα της εμφάνισης του κυρίαρχου μαγνητικού πεδίου της Γης. Στο εσωτερικό της Γης, αντί για κάποιο αγωγό, έχουμε ένα αγώγιμο ρευστό το οποίο κινείται και από την κίνησή του δημιουργούνται ρεύματα (ηλεκτρονίων και ιόντων). Η περιοχή στην οποία συμβαίνει αυτή η κίνηση δεν είναι το εσωτερικό μέρος του πυρήνα γιατί είναι στερεό. Αλλά στο εξωτερικό τμήμα του πυρήνα κοντά στον εσωτερικό μανδύα, γι αυτό και λέγεται εξωτερικός ρευστός πυρήνας και έχει περίπου την πυκνότητα και την αγωγιμότητα του σιδήρου. Υπάρχει ακόμα μία διαφορά από την παραπάνω περίπτωση του δυναμό του ποδηλάτου και αυτή είναι το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ενώ στο δυναμό του ποδηλάτου υπάρχει εξωτερικός μαγνήτης που διαμορφώνει ένα κυρίαρχο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, στην περίπτωση της Γης, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται, ενισχύεται και επιβιώνει από καθαρά εσωτερικές διαδικασίες της κίνησης του αγώγιμου ρευστού.

Δηλαδή το πρόβλημα που έχουν οι γεωφυσικοί να ερμηνεύσουν ανάγεται στο πως μπορεί ένα αγώγιμο ρευστό με την κίνησή του να δημιουργήσει και να συντηρήσει ένα μεγάλης κλίμακας διπολικό μαγνητικό πεδίο. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μοντέλα μαγνητοϋδροδυναμικής στην περιοχή του εξωτερικού ρευστού πυρήνα της Γης. Οι εξισώσεις των μοντέλων αυτών είναι πολύ περίπλοκες και μπορούν να λυθούν μόνο σε υπερυπολογιστές.

Αυτό το πρόβλημα έχει λυθεί εδώ και μερικά χρόνια και υπάρχουν κάποια μοντέλα, όπως των Gary A Glatzmaier και Peter Olson, που περιγράφουν αρκετά καλά το μαγνητικό πεδίο της Γης και την συμπεριφορά του. Οι Glatzmaier και Olson πιστεύουν πως προκειμένου να υπάρχει αποτελεσματικό γεωδυναμό αρκούν να υπάρχουν τρεις βασικές προϋποθέσεις.

Α. Πρέπει να υπάρχει ρευστός αγώγιμος πυρήνας προκειμένου να μπορούν να αναπτυχθούν εκεί τα ρεύματα που θα συντηρήσουν το μαγνητικό πεδίο.

Β. Θα πρέπει να υπάρχει μία πηγή ενέργειας, η οποία να κινεί το ρευστό ώστε αυτό να μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε μαγνητικό πεδίο. Αυτή η πηγή ενέργειας είναι κυρίως η θερμική ενέργεια που έχει παγιδευτεί στο εσωτερικό του πλανήτη από την δημιουργία του, η οποία κατά την προσπάθειά της να βγει προς τα έξω δημιουργεί φαινόμενα μεταφοράς στον ρευστό εξωτερικό πυρήνα, όπως έχουμε την κυκλοφορία του αέρα στην ατμόσφαιρα.

Γ. Πρέπει ο πλανήτης να περιστρέφεται έτσι ώστε να μπορούν να εμφανιστούν δυνάμεις Coriolis. Οι δυνάμεις Coriolis θα έχουν ως αποτέλεσμα να συστρέφουν τη ροή του ρευστού όπως αυτή δημιουργείται εξαιτίας των φαινομένων μεταφοράς (φαινόμενο αντίστοιχο με τους κυκλώνες στην ατμόσφαιρα). Από αυτή τη συστροφή τελικά το αποτέλεσμα είναι να ενισχύεται το μαγνητικό πεδίο φτάνοντας τελικά σε μία κατάσταση περίπου σταθερής έντασης.

Είναι σημαντικό να τονίσουμε πως το μαγνητικό πεδίο που αντιλαμβανόμαστε στην επιφάνεια της Γης σαν διπολικό δεν είναι στην πραγματικότητα έτσι και στο εσωτερικό της Γης. Πρόκειται για ένα αρκετά περίπλοκο μαγνητικό πεδίο στην περιοχή του συνόρου του εξωτερικού ρευστού πυρήνα με τον μανδύα, που αποτελείται και από ανώτερης τάξης πολύπολα, τα οποία όμως εξασθενούν μέχρι να φτάσουν στην επιφάνεια (και εξασθενεί όχι ανάλογα με την απόσταση).

Τα υπολογιστικά μοντέλα εξηγούν αρκετά καλά και το φαινόμενο της αναστροφής του μαγνητικού πεδίου της Γης. Γιατί παρατηρείται ότι υπάρχει μία δυναμική ανάμεσα σε μία κατάσταση που προσπαθεί να ανατρέψει το κυρίαρχο διπολικό μαγνητικό πεδίο και σε μία κατάσταση όπου αυτό διατηρείται. Τις περισσότερες φορές, επικρατεί η σταθερότητα του μαγνητικού πεδίου για χιλιάδες χρόνια, αλλά κάποιες φορές το πεδίο αντιστρέφεται. Ενώ με την όλη διαδικασία, η οποία διαρκεί μερικές χιλιάδες χρόνια, το μαγνητικό πεδίο της Γης δεν εξαφανίζεται, αλλά γίνεται πιο περίπλοκο.

Πηγή: http://www.es.ucsc.edu/~glatz/pub/glatzmaier_roberts_contphys_1997.pdf