Блуждающий магнитный полюс

Как во всякой задаче-оценке, нам здесь не требуется получить какой-то точный ответ. Нужно лишь уловить суть явления, понять, от чего оно зависит и как его обсчитывать, и затем дать разумную оценку по порядку величины.

Нам даны типичные изменения магнитного поля, но спрашивают нас про положение магнитного полюса. Поэтому первым делом подумайте, что, собственно, такое магнитный полюс, чем он характеризуется локально. То, что на него указывает стрелка компаса где-то далеко, — это, конечно, хорошо, но для нас это несущественно. Нам требуется понять, что характеризует точную локацию магнитного полюса на земной поверхности. Если надо, нарисуйте картинку силовых линий. После этого представьте, что на эту картину наложилось добавочное поле (именно его, в общем-то, показывает рисунок), и подумайте, как на это отреагирует положение магнитного полюса.

Для начала взглянем на общую схематичную картинку силовых линий геомагнитного поля (рис. 2). В разных местах поверхности Земли магнитное поле имеет вертикальную и горизонтальную составляющую, и стрелка компаса выстраивается именно по горизонтальной. Магнитный полюс, по определению, это такое место на земной поверхности, где линии поля смотрят строго вертикально. (На всякий случай предупредим, что геомагнитный полюс — это немножко другое. Он определяется чуть более сложно и не совпадает с магнитным полюсом.)

Рис. 2. Силовые линии геомагнитного поля: общий схематический вид. Рисунок с сайта nasa.gov

На рис. 3, слева, показано схематично, как ориентированы линии поля вблизи этого места. Прямо на полюсе горизонтальная компонента поля B_x = 0. При отходе от него она становится ненулевой и растет пропорционально удалению x. Это, конечно, можно записать и в виде аккуратных формул, но сама по себе эта зависимость должна быть интуитивно понятна из рисунков и прямо вытекает из общего представления, как расходятся силовые линии. Вертикальное поле, напротив, почти не меняется в окрестности полюса.

Рис. 3. Слева: ориентация силовых линий поля вблизи магнитного полюса. Справа: при наложении внешнего горизонтального поля положение полюса сдвигается

Мы получили, что B_x ~ x, но нам не хватает коэффициента пропорциональности. Опять же, глядя на рис. 2 и представляя общую конфигурацию полей, этот коэффициент можно оценить так:

Здесь R — это радиус Земли, единственный подходящий параметр размерности длины, который у нас присутствует. Действительно, из общего рис. 2 видно, что для того, чтобы горизонтальное поле стало сравнимым с вертикальным, нам надо отойти от полюса на расстояние порядка радиуса Земли. Более точная формула (поле диполя) дает еще коэффициент 3/2, который для задач-оценок несущественен.

Следующий шаг. Пусть на это поле наложилось внешнее добавочное поле ΔB, направленное по горизонтали (добавочное вертикальное поле ничего не изменит). Тогда вся картина силовых линий сместится так, как показано на рис. 3, справа. А это значит, что положение магнитного полюса сместится на расстояние, вычисляемое из этой же формулы:

Осталось подставить числа. Судя по графикам, полный размах колебаний горизонтальной составляющей поля на станции Resolute Bay составил ΔB ≈ 250 нТл. Вместе с общим полем и радиусом Земли это дает дистанцию около 30 км. С учетом приблизительного характера вычисления можно сделать вывод: точное положение магнитного полюса не фиксировано, а перемещается в течение суток туда-сюда на расстояние в десятки километров.

Описанная выше оценка подтверждается данными. Конечно, никто не выезжает прямо к полюсу по нескольку раз на дню и не бегает за ним по арктическому льду, отмечая новое его положение каждый час. Это положение восстанавливается по показаниям магнитометров с разных станций (рис. 4, слева). Внутрисуточное движение полюса довольно нерегулярное и очень сильно зависит от состояния земной магнитосферы, но при усреднении по многим дням оно примерно дает эллипс (рис. 4, справа). При усреднении за год эти колебания совсем пропадают, что и позволяет геофизикам отслеживать медленный многолетний дрейф полюса.

Рис. 4. Слева: колебания магнитного поля на станции позволяют отследить в реальном времени направление на магнитный полюс. Справа: примерно такой эллипс описывает северный магнитный полюс за сутки. Изображения с сайтов geomag.bgs.ac.uk и ses-wa.asn.au

Впрочем, надо сказать, что северный магнитный полюс не такой уж медленный, особенно в последние десятилетия. После того, как он несколько веков «потоптался» среди покрытых льдом островов на севере Канады, он резко «ожил» в конце XX века и «рванул» через океан в сторону Сибири (рис. 5). В последние годы скорость его дрейфа составляет 55 км/год. Однако поскольку мы не можем пока предсказывать его поведение на долгих временах, совершенно неизвестно, где он окажется, например, через полвека.

Рис. 5. Движение северного магнитного полюса за последние века. Коричневыми кружочками показаны результаты измерений, точками — результаты современного моделирования. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Теперь самое время пояснить, зачем вообще нужно следить за положением полюса и, более широко, за состоянием геомагнитного поля. Первая причина сугубо практическая: навигация. Может показаться, что сейчас, в эпоху GPS и Google Maps, по магнитному полю не ориентируется никто. Это нет так; изолинии магнитного склонения нанесены на многие профессиональные морские и топографические карты и реально служат для навигации. Ориентировка по линиям поля иногда даже используется в направленном бурении. Из-за движения полюсов и изменений поля в целом эти линии заметно меняются на масштабе в десятилетие. Поэтому существует специальная служба, которая каждые пять лет выпускает обновленные карты геомагнитных параметров. Карты по состоянию на 2015 год вместе с пояснениями можно найти, например, в образовательном разделе по геомагнетизму на сайте Геологической службы Великобритании.

Еще более важно слежение за быстрыми колебаниями магнитного поля для мониторинга обстановки в магнитосфере Земли, которая, в свою очередь, сказывается на наземной технике, на радиосвязи, а также важна для космических аппаратов. Само положение полюса тут особой роли не играет, главное — это восстановить общую геомагнитную картину, локально или глобально. А вот долговременные тенденции как раз удобно отслеживать именно по положению полюса. Причины этих медленных изменений иные — не внешние (магнитосфера), а внутренние, связанные с процессами в земных недрах. Фактически, геомагнитное поле — это один из редких инструментов, позволяющих с помощью измерений на поверхности заглянуть в самую глубь Земли. Тут есть большое количество сложных вопросов, начиная с того, что мы недостаточно хорошо понимаем, как там вообще производится магнитное поле, и заканчивая предсказанием его изменений.

Среди всех этих вопросов есть одна тема, которая приковывает особое внимание широкой публики, — наблюдающееся сейчас ослабление геомагнитного поля и потенциальная возможность переполюсовки. Обсуждения тут доходят до панических сообщений, новостей и даже фильмов-катастроф. Вообще, тема эта очень большая (методы наблюдений, математика обсчета, нынешние данные, палеомагнетизм), и мы залезать в нее не будем. Скажем только, что да, магнитное поле сейчас в среднем по Земле ослабевает с темпом около 20 нТл/год, то есть на 5% в столетие. Это изменение, конечно, неравномерное: где-то поле и растет. На этот счет сейчас есть достаточно точные данные, полученные тройкой спутников Swarm, запущенных на орбиту в ноябре 2013 года (рис. 6).

Рис. 6. Изменение геомагнитного поля за первое полугодие 2014 года по данным спутниковой группы Swarm. Изображение с сайта earthobservatory.nasa.gov

Однако эти данные ни в коем случае не могут служить подтверждением паникерских настроений (в нереалистичности сюжетов фильмов-катастроф думающую публику убеждать, наверно, не требуется). Темпы изменений таковы, что заметное ослабление могло бы произойти на масштабе в несколько столетий. Более важно то, что эти изменения — часть хаотичных флуктуаций поля, поэтому эти данные бессмысленно экстраполировать на такие длительные промежутки времени. Не стоит думать, что внутри Земли есть какой-то один конкретный магнитик, который вдруг ослаб или выключился, и как результат происходит ослабление поля. Магнитное поле Земли возникает из протяженного источника и содержит много компонент с разной пространственной зависимостью. Эти компоненты перераспределяются, и в результате где-то (например, внутри Земли) поле становится больше, где-то меньше. Вот эти процессы до сих пор плохо поняты, и внимательное слежение за геомагнитным полем и, в частности, за положением полюсов, должно помочь с этим разобраться.

Вообще, тема эта очень обширна и интересна. Мы коснулись лишь самой ее кромки, а дальше заинтересовавшемуся читателю можно посоветовать брошюру А. И. Дьяченко «Магнитные полюса Земли», а также более подробную научно-популярную книжку (правда, до сих пор не переведенную) Ronald T. Merrill, Our Magnetic Earth.