Карта-история дает общее понимание беспокойного магнитного поля нашей планеты
Дэйв Фиссе, компания Esri
Understanding Earth’s Restless Magnetic Field
Геологические и исторические данные свидетельствуют о том, что южные и северные магнитные полюса Земли в прошлом меняли свою полярность. Может ли это повториться, и когда произойдет следующий скачок? Ученые, занимающиеся исследованием магнитного поля, собирают и анализируют огромный объем геопространственных данных, полученных от большого числа сенсоров, чтобы ответить на главный вопрос: является ли увеличившаяся скорость перемещения магнитного севера и его непредсказуемое поведение новой нормой?. ГИС помогает пролить свет на этот процесс, а созданная карта-история позволяет лучше понять и рассмотреть это глобальное природное явление.
Глубоко в недрах нашей планеты находится невидимая магнитная сила, на которую полагаются живые организмы при ориентации в пространстве и выборе направлений при передвижении. Ядро Земли состоит из твердого железа, которое переходит в жидкое внешнее ядро, состоящее из высоко-магнетического сплава никеля и железа. Его движение приводит к возникновению электрического течения, которое, в свою очередь, создает магнитное поле. В числе прочего, это поле защищает нашу планету и спутники на околоземной орбите от разрушительной солнечной радиации.
Эпицентр этой геомагнитной силы регулярно сдвигается, в пределах до 80 километров от своей средней позиции, на протяжении любого дня. В течение некоторого периода времени магнитный север перемещался в сторону географического севера со средней скоростью чуть менее 10 километров в год. Но в последние несколько лет это перемещение ускорилось до 50 км в год. Похожая картина наблюдается в южном полушарии.
Чтобы изучать, анализировать и манипулировать геомагнитными данными, ученые используют географические информационные системы (ГИС) — технологии, помогающие показать влияние динамических сил, находящихся глубоко под земной поверхностью. Все больше ученых-геофизиков используют инструменты ГИС и программное обеспечение для моделирования с целью вычисления геомагнитных изменений.
Модель явления
Начиная с недавнего времени, сдвиги геомагнитного поля Земли стали более непредсказуемыми и резкими, чем раньше. Это привело к ряду последствий и проблем, с которыми в первую очередь столкнулись международные участники и стороны, принимающие решения, связанные с созданием и публикацией модели земного магнитного поля (World Magnetic Model; WMM).
На этом рисунке художник постарался показать защитный механизм от солнечной радиации, который предоставляет магнитное поле Земли.
Создание и корректировка этой модели ведутся в рамках совместного проекта Национального агентства геопространственной разведки США (NGA) и Оборонного географического центра Великобритании (UKDGC). Она является важной математической системой, разработанной для компенсации и коррекции несоответствия между географическим и магнитным севером. Эта модель обеспечивает управление картографическими устройствами для навигационных приборов, точно определяя, как выглядит магнитное поле в любой точке Земли. Она помогает управлять многими инструментами, начиная от GPS-позиционирования, например, в телефонах, до глобальных навигационных систем оборонного ведомства США.
Чрезвычайная важность этой модели очевидна. Министерства обороны ряда стран, НАТО, Международная гидрографическая организация и другие глобальные ведомства полагаются на WMM для целей навигации, измерения высот и направлений, точной пространственной привязки, особенно в тех местах, которых не достигают сигналы со спутниковых навигационных систем (GNSS), например, при перемещении подводных лодок на больших глубинах в океанах.
Военные, агентство NASA, сети телекоммуникаций и вся глобальная финансовая система во многом зависят от системы глобального позиционирования (GPS), которая основана на учете магнитных сил Земли. Параметры ориентации, выдаваемые цифровыми или аналоговыми компасами также подвержены влиянию этих сил в любом месте, где-бы вы ни находились.
Модель WMM регулярно обновляется, ее новая версия обычно выпускается каждые пять лет, чтобы поддерживать точную глобальную навигацию. Однако в связи с ускорившимся движением магнитного севера в сторону Сибири, потребовалось ее экстренное обновление, очередная версия будет выпущена в конце этого года, на год раньше обычного графика.
Карта-история «Сколько у Земли северных полюсов» содержит разные сведения, карты и другие материалы, рассказывающие о важности геомагнетизма, его моделирования и картографирования.
В то же время, отсутствие профильных ученых в Национальных центрах экологической информации (NCEI), которые являются частью Управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), сделало более ранний выпуск модели WMM невозможным, несмотря на острую необходимость. В результате, всему миру приходится довольствоваться навигацией при помощи устаревшей модели, выпущенной в конце 2015 года. Но она с каждым днем становится все более неточной, поскольку магнитный север продолжает удаляться от Канады всё большими темпами.
Реконструкция изменений магнитного поля Земли
Одним из ярких примеров, демонстрирующих изменения магнитного поля Земли с течением времени, считается работа геохимика Джона Делано (John Delano), известного профессора, преподающего в Университете г.Олбани, который использовал оригинальный подход к реконструкции истории этого феномена. Делано нанес на карту около 1200 км каменных стен и дорог в Новой Англии, определил их направление относительно современного магнитного полюса и сравнил с тем, что было при их закладке несколько веков назад. Он обнаружил, что в подробном отчете 1787 года записано, что каменные стены проходили приблизительно вдоль 4 градуса западной долготы. В настоящее время те же сооружения расположены на 5 градусов западнее, что подтверждает факт сдвига магнитного полюса относительно географического полюса в течение прошедших лет.
Ориентация каменных стен, которые пересекают северо-восточную часть США, может рассказать как о геомагнитной, так и о привычной истории.
Навигация в изменяющемся магнитном поле
Поскольку магнитное поле Земли постоянно перемещается, разница между географическим и магнитным севером продолжает расти. При такой отмечаемой тенденции сценарий возрастающей ошибки в навигационных системах может серьезно отразиться на нашей жизни.
Мы живем во время беспрецедентного доверия и опоры на данные GPS. По грубой оценке ВВС США, около 4 млрд. людей по всему миру используют технологию глобального позиционирования. Корректная модель WMM является неотъемлемой частью технологии GPS, на ней основано всё, начиная от позиционирования на картах в смартфонах и на транспортных средствах, до транзакций по всем мировым финансовым рынкам.
В настоящее время магнитный сервер перемещается с возросшей и непредсказуемой скоростью, по сравнению с тем, что происходило еще несколько лет назад. Если в данный момент не провести обновление модели WMM, чтобы нужным образом скомпенсировать эту скорость изменения, то те показания GPS, на которые полагаются люди в обыденной жизни, не будут достоверными.
Расползающееся дно океана сохраняет историю геомагнетизма, раздел Магнитные аномалии и тектоника плит из карты-истории.
Непредсказуемая природа изменения геомагнетизма не дает ученым жить спокойно. В 1990-х годах магнитный север перемещался с медленной и постоянной скоростью. Современные резкие сдвиги мешают ученым, использующим WMM для построения модели навигации посредством магнитного поля Земли, успешно продолжать свою работу. Проще говоря, чем больше перемещается магнитный север, тем больше он увеличивает ошибки в модельных расчетах.
Возникает вопрос: если это новая норма, то как часто необходимо обновлять WMM, чтобы модель оставалась достаточно точной и достоверной?
Постоянные изменения требуют постоянного контроля
Поскольку единственное, в чем уверены ученые, когда дело касается магнитного севера, это его непредсказуемость, им приходится заново пересматривать частоту публикации обновлений модели WMM. Они также ищут новые подходы к изучению и анализу динамических сил, приводящих к постоянным изменениям глубоко в земном ядре.
Когда-то это случится. Общее представление о процессе миграции магнитных полюсов, слева-направо: до, в процессе и после обращения; из раздела о магнитном сдвиге карты-истории.
Между регулярными, раз в 5 лет, обновлениями ученые анализируют точность модели, используя геопространственные данные, собранные наземными магнитными обсерваториями. Кроме того, исследовательская программа Европейского космического агентства Swarm mission в составе трех находящихся на полярной орбите Земли спутников картографирования магнитного поля предоставляет различные данные, включая измерения вектора этого поля.
Ученые гео-магнитологи собирают и анализируют огромный объем геопространственных данных, полученных от этих сенсоров, чтобы ответить на главный вопрос: является ли увеличившаяся скорость сдвига магнитного севера и его непредсказуемое поведение новой нормой? Они также пытаются понять глубинные причины такого поведения.
Опасности взаимной смены полюсов
Ускоренное движение магнитного севера и вызванное этим ослабление магнитного поля может быть знаком того, что приближается полное взаимозамещение полюсов.
Одно из свидетельств прошлого переворота (обращения) магнитных полюсов можно найти вдоль срединно-океанических хребтов, от которых морское дно обычно распространяется «симметрично». После выхода из разлома полужидкая мантийная лава охлаждается и в затвердевающих породах запечатлевается информация о направлении и силе магнитного поля. Анализ этих горных пород в последовательных полосах дна океана позволяет ученым реконструировать магнитную историю Земли.
Раздел карты-истории о Миграции полюсов Земли, показан процесс в Южном полушарии.
Ученые полагают, что в течение жизни нашей планеты полюса менялись местами сотни раз, и эти смены происходили очень нерегулярно во времени – с промежутком от 5 тысяч до 50 миллионов лет. Последняя обращение полярности видимо произошло около 780 тысяч лет назад, причем всего за несколько десятилетий.
Ученые также признают, что последствия будущего переворота в магнитном поле Земли — полное взаимозамещение северного и южного полюса — могут быть катастрофическими.
Окружающее Землю магнитное поле действует в качестве невидимого силового щита, защищая все живые организмы от опасной солнечной радиации. Полная смена полюсов может значительно ослабить этот защитный эффект. По оценкам ученых, при смене полюсов сила геомагнитное поле может снизиться на 10 процентов в сравнении с сегодняшней. А это может привести к повышенному уровню радиации за счет проникновения к поверхности Земли потоков заряженных частиц от Солнца, галактических космических лучей и ультрафиолетовых B-лучей.
Кроме того, GPS, радио- и телекоммуникационные системы, энергетические сети (электрические и электронные инфраструктуры) могут подвергнуться риску полного выхода из строя, что вынуждает относиться к этой проблеме особенно серьезно.
Потребность в новых подходах к мониторингу магнитного поля
Необходимо использовать проактивный подход к созданию новых методов и ресурсов сбора геомагнитных данных, чтобы гарантировать, что модель WMM останется устойчивым и достоверным ресурсом.
В конце марта этого года агентство NGA запустило MagQuest, глобальный проект открытых инноваций, стоимостью $1,2 млн. Эта инициатива касается новых подходов с целью усиления эффективности, достоверности и устойчивости при сборе геомагнитных данных для модели WMM.
Ежегодные изменения интенсивности магнитного поля на основе модели WMM.
Целью этого проекта является вдохновение новаторов к применению их уникальных умений и навыков в космических, воздушных, наземных и других потенциально перспективных областях для помощи в разработке новой системы измерения и расчета геомагнитного поля Земли.
Основой этого проекта является выработка аналитического решения, позволяющего наилучшим образом использовать доступные источники информации с применением новых достижений в моделировании данных и технологиях их обработки. Очевидно, что ГИС является одной их таких технологий.
Не так давно выпущена специальная карта-история «Сколько у Земли северных полюсов» (How Many North Poles Does Earth Have) в виде веб-приложения, рассказывающая о магнитном поле Земли, важности учета, подробного изучения и моделирования этого затрагивающего всех нас глобального природного феномена. Несколько представленных здесь рисунков иллюстрируют часть разделов этого интересного повествования.
Этот материал основан на статье Дэйва Фиссе (Dave Fisse) в блоге Esri.
