1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 59, № 3, 2019

Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 3, стр. 380-382

Предстоящая инверсия магнитного поля и возможные изменения структуры магнитосферы

В. Г. Петров *

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
г. Москва, г. Троицк, Россия

* E-mail: vpetrov@izmiran.ru

Поступила в редакцию 04.04.2018
После доработки 01.10.2018
Принята к публикации 24.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

По данным модели IGRF-12 проанализировано изменение глобальной структуры внутренних источников магнитного поля Земли. Наряду с уменьшением дипольного магнитного момента происходит быстрый рост мультипольных моментов. Это подтверждает теоретическую модель инверсии магнитного поля как постепенное уменьшение дипольного поля при сохранении, в общем, его направления и усиление мультипольных моментов. Палео- и археомагнитные данные показывают, что этот процесс происходит уже ≈2.5 тыс. лет и многократно повторялся в прошлом. Уменьшение дипольного магнитного момента приводит к приближению магнитопаузы к Земле и полному исчезновению магнитосферы через ≈1.5 тыс. лет.

1. ВВЕДЕНИЕ

Уменьшение магнитного момента Земли наблюдается в течение всего периода инструментальных измерений магнитного поля. При этом происходит ускоренное перемещение магнитных полюсов. Палеомагнитные данные [Cande and Kent, 1995] показывают, что в истории Земли уменьшение поля до нуля и его возникновение, но уже другого направления (инверсии), наблюдались многократно. Текущее направление магнитного поля сохраняется в течение ≈785 тыс. лет, и такой интервал сохранения постоянной полярности магнитного поля существенно превышает средний за всю наблюдаемую историю интервал между инверсиями [Lowrie and Kent, 2013]. Таким образом, можно ожидать, что очередная инверсия уже приближается и имеются достаточно убедительные признаки начала процесса изменения полярности магнитного поля Земли.

2. ПРИЗНАКИ НАЧАЛА ПЕРЕПОЛЮСОВКИ

Достоверные измерения магнитного момента Земли имеются с 1900 г., когда начали регулярно создавать модели магнитного поля Земли. На ри-сунке 1 представлено изменение магнитного момента, вычисленное по данным коэффициентов h0, h1, g1 модели IGRF [Thebault et al., 2015] и его линейная интерполяция. Менее достоверные данные показывают, что такое же линейное уменьшение наблюдается, по крайней мере, с 1850 г. (модель GUFM – [Jackson еt al., 2000], а косвенные данные показывают, что уменьшение длится уже ≈2.5 тысячи лет [Yang et al., 2000].

Рис. 1.

Изменение магнитного момента Земли.

Точность палеомагнитных данных не дает однозначной картины самого процесса переполюсовки, а наше понимание процессов геодинамо не достаточно для получения количественных оценок этого процесса, хотя качественные оценки сделать уже можно. Возможны три механизма переполюсовки:

1) диполь сохраняет свое направление, но уменьшается до нуля, а затем появляется вновь, но уже другого знака;

2) постепенный поворот диполя через экватор без существенного изменения его величины [Constable, 2003];

3) переход энергии магнитного поля из дипольного члена без значительного изменения его направления в мультипольные и обратный переход из мультипольных в дипольный противоположного направления.

Анализ палеомагнитных данных, особенно во время последнего изменения ≈785 тыс. лет назад так и не позволил сделать однозначный выбор в пользу какого-то механизма. Первые анализы поддерживали второй вариант, но более поздние работы [Valet and Fournier, 2016] и ссылки в ней свидетельствуют в пользу третьего варианта.

Существует два определения магнитного полюса Земли – просто магнитный полюс − точка, где магнитное поле направлено вертикально, и геомагнитный полюс − точка пересечения оси геомагнитного диполя с поверхностью Земли. Источники дипольного поля находятся на глубинах больше 3000 км, мультипольные источники, которые искажают поле диполя и приводят к отличию положения магнитного и геомагнитного полюсов, находятся ближе к поверхности. На рисунке 3 в работе [Зверева, 2012] приведено перемещение обоих полюсов в 1990−2010 гг. и видно, что смещение геомагнитного полюса на порядок меньше смещения магнитного полюса, т.е. сам магнитный диполь уменьшается по величине почти не меняя положения, а смещение магнитного полюса вызывается усилением мультипольного поля. Таким образом, эти данные говорят в пользу первого или третьего вариантов переполюсовки.

Соотношение вклада дипольного и мультипольных источников можно оценить и непосредственно. Для оценки энергетического вклада различных пространственных составляющих магнитного поля в общую энергию используется понятие энергетического спектра магнитного поля, где вклад каждой пространственной гармоники вычисляется по формуле [Backus et al., 1996],

${{R}_{n}} = (n + 1)\sum\limits_{m = 0}^n {[{{{(g_{n}^{m})}}^{2}} + {{{(h_{n}^{m})}}^{2}}]} ,$
где Rn описывает энергетический вклад гармоники n в полную энергию поля. Для оценки относительного вклада дипольной и мультипольных составляющих в полную энергию поля нами было рассчитано отношение суммарной мощности всех мульпипольных гармоник (n = 2−13) к дипольной (n = 1). Под дипольным членом здесь понимается наклонный диполь, описываемый тремя первыми членами разложения. Результат представлен на рис. 2.

Рис. 2.

Отношение суммарной мощности мультипольных членов модели IGRF к дипольному члену.

Из рисунка 2 видно, что за последние 120 лет это отношение увеличилось более чем в два раза, причем увеличение происходит не только за счет уменьшения мощности дипольного члена (в этом случае отношение изменилось бы только в 1.16 раза), но и за счет заметного увеличения мощности мультипольных членов. Таким образом, имеющиеся на настоящее время данные показывают, что процесс изменения полярности магнитного поля начался по 3-му варианту. Однако в настоящее время убывание энергии дипольной составляющей происходит быстрее, чем рост мультипольной, т.е. общая энергия магнитного поля уменьшается.

3. ДИНАМИКА МАГНИТОСФЕРЫ В ПРОЦЕССЕ

Процесс взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли в значительной степени зависит от свойств самой магнитосферы, в частности от величины магнитного поля Земли, которое определяется магнитным моментом земного диполя. Наиболее характерной величиной, описывающей структуру магнитосферы, является расстояние до подсолнечной точки магнитосферы. Существует несколько методик и формул для определения этого расстояния, и наиболее распространенный подход изложен в работе [Paschmann, 1964]. В простейшем приближения считают, что расстояние до подсолнечной точки определяется балансом давления в солнечном ветре и в магнитосфере:

${{p}_{{MS}}} + \frac{{B_{{MS}}^{2}}}{{2{{\mu }_{0}}}} = {{p}_{M}} + \frac{{B_{M}^{2}}}{{2{{\mu }_{0}}}},$
где p − это тепловое давление плазмы; B 2/2μ0 − давление магнитного поля, а индексы MS и M относятся соответственно к магнитослою и магнитосфере.

Считая, что в лобовой точке динамическое давление солнечного ветра уравновесилось давлением магнитного поля и пренебрегая магнитным полем в солнечном ветре и тепловым давлением плазмы в магнитосфере, упростим это выражение до

${{\rho }_{{SW}}}\text{v}_{{SW}}^{2} = \frac{{B_{M}^{2}}}{{2{{\mu }_{0}}}},$
а считая магнитное поле Земли дипольным, получаем следующую зависимость расстояния до подсолнечной точки r0 [Mead, 1964]:
(1)
${{r}_{0}} = {{\left( {\frac{{{{f}^{2}}M_{E}^{2}}}{{8k\pi n{{m}_{p}}{{\text{v}}^{2}}}}} \right)}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 6}} \right. \kern-0em} 6}}}},$
где ME – магнитный момент земного диполя; mp – масса протона; n – плотность протонов; v – скорость солнечного ветра. Коэффициент f определяет степень усиления дипольного поля токами на магнитопаузе, для 3-мерной модели f = 2.44, параметр k = 0.88 [Spreiter et al., 1968].

Если считать, что магнитный момент будет уменьшаться с той же скоростью, что и сейчас, то по формуле (1) можно прогнозировать уменьшение среднего расстояния до подсолнечной точки магнитосферы (рис. 3). Здесь характерным временем является 3000–3100 гг., когда лобовая точка приблизится к геостационарной орбите. До этого времени уменьшение расстояния со временем будет происходить примерно линейно, затем скорость уменьшения увеличится, и примерно к 3600 г. магнитосфера Земли исчезнет. Изменение размеров магнитосферы изменит и ее внутреннюю структуру, однако современные модели внутренней магнитосферы содержат ряд экспериментальных параметров, которые определены для современной структуры магнитосферы, поэтому спрогнозировать эти изменения очень сложно.

Рис. 3.

Среднее расстояние до подсолнечной точки магнитосферы в радиусах Земли.

Конечно, экстраполяция 200-летнего интервала на 1500 лет вперед – процедура не очень надежная, однако имеется много палеомагнитных данных, которые хотя и не позволяют выяснить детали процесса уменьшения и даже смены знака магнитного диполя, уверенно доказывают факт наличия такого процесса. Исследование намагниченности археологических остатков позволяет оценить и величину магнитного поля. Конечно, по достоверности и точности они не сопоставимы с современными моделями МПЗ, но они указывают, что уменьшение магнитного момента наблюдается в течение уже 2.5 тыс. лет [Yang et al., 2000].

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Имеющиеся в настоящее время данные о динамике главного магнитного поля Земли показывают явные признаки начавшегося процесса переполюсовки (или, по крайней мере, экскурса) магнитного поля Земли. Уменьшение дипольного момента при общем сохранении его направления и еще более быстрый рост мультипольных моментов свидетельствуют в поддержку одного из трех возможных механизмов переполюсовки. При сохранении темпа уменьшения магнитного момента лобовая точка магнитосферы окажется внутри геостационарной орбиты после 3000 г., и магнитосфера исчезнет полностью к 3600 г.

Список литературы

  1. – Зверева Т.И. Динамика главного магнитного поля Земли с 1900 г. по наши дни / Тр. науч. конф. “Базы данных, инструменты и информационные основы полярных геофизических исследований”, 22–26 мая 2012 г. М.: ИЗМИРАН, 2012.

  2. – Backus G., Parker R.L., Constable C. Foundations of geomagnetism. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

  3. – Cande S.C., Kent D.V. Revised calibration of geomagnetic polarity timescale for later Cretacerous and Cenozoic // J. Geophys. Res. V. 100(B4). P. 6093–6095. 1995.

  4. – Constable C.G. Geomagnetic reversals: rates, timescales, preferred paths, statistical models, and simulations. Earth’s core and lower mantle // Fluid mechanics of astrophysics and geophysics. Eds. Jones C.A., Soward A.M., Zhang K. London, N.Y.: Taylor and Francis, P. 96−122. 2003.

  5. – Jackson A., Jonkers A.R.T., Walker M.R. Four centuries of geomagnetic secular variation from historical records // Philos. Trans. R. Soc. Lond., A 358. P. 957–990. 2000.

  6. – Lowrie W., Kent D.V. Geomagnetic polarity timescales and reversal frequency regimes / Timescales of the Paleomagnetic Field. Eds. Channell J.E.T., Kent D.V., Lowrie W., Meert J.G. / Geophysical Monograph Series. V. 145. P. 117–129. 2013.

  7. – Mead C. D. Deformation of the geomagnetic field by the solar wind // J. Geophys. Res. V. 69. P. 1181–1195. 1964.

  8. – Paschmann G. The Earth’s magnetopause // Geomagnetism.V. 4. P. 295–331. 1991.

  9. – Spreiter J.R., Alksne A.Y., Summers A.L. External aerodynamics of the magnetosphere / Physics of the magnetosphere. Eds. Corovillano R.L., McClay J.F., and Radoski H.R. Dordrecht: D. Reidel. P. 301–364. 1968.

  10. – Thébault E., Finlay C.C., Beggan C.D. et al. International Geomagnetic Reference Field: the 12th generation // Earth Planets Space. P. 67−79. 2015.

  11. – Yang S., Odah H., Shaw J. Variations in the geomagnetic dipole moment over the last 12000 years // Geophys. J. Int. V. 140. P. 158–162. 2000.

  12. – Valet J.-P., Fournier A. Deciphering records of geomagnetic reversals // Rev. Geophys. V. 54. P. 410–446. 2016. https://doi.org/10.1002/2015RG000506

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал