Ziemskie pole magnetyczne nie jest jednorodne na całym globie. Są miejsca, gdzie jego natężenie jest większe, i takie, w którym działa ono słabiej. Na biegunach wartość natężenia jest zwykle wyższa niż na równiku. Ponadto wciąż następują czasowe zmiany pola magnetycznego – zarówno w położeniu jego biegunów, jak i w jego natężeniu. Zmiany w czasie obserwuje się jako zmiany dobowe, zmiany mierzone w latach, tzw. wiekowe, oraz zmiany obserwowane w skali geologicznej, tzn. tysięcy i milionów lat.
Zmiany w skali dni i godzin
Zmiany w skali dni to najczęściej zmiany w natężeniu pola magnetycznego wywołane interakcją pomiędzy wiatrem słonecznym a naszym polem magnetycznym oraz zaburzeniami wywołanymi przez ruchy pływowe w jonosferze. Występują zaburzenia dobowe słoneczne, dobowe księżycowe oraz gwałtowne zaburzenia wywołane przez burze magnetyczne. Dzieje się tak, gdy strumień cząsteczek wyrzuconych ze słońca (tak zwany wiatr słoneczny) uderza w magnetosferę Ziemi – strefę oddziaływania pola geomagnetycznego, zmieniając ją – spłaszczając od strony zderzenia oraz rozciągając w kierunku, w którym lecą rozpędzone cząstki. Zaburzenia te widoczne są w rozkładzie i natężeniu pola geomagnetycznego. Dodatkowo, gdy wiatr słoneczny jest szczególnie intensywny, powstają zorze polarne.
Zapis burzy magnetycznej zarejestrowanej w 2003 r.
Zmiany w skali lat
Zmiany wiekowe to wynik wędrówki biegunów magnetycznych wokół bieguna geograficznego. Kiedy zestawi się na mapie położenie biegunów północnego i południowego z ostatnich kilkudziesięciu lat, okazuje się, że odbiega ono od modelowego odsunięcia od biegunów geograficznych o 11,5o. Śledząc ścieżkę wędrówki biegunów magnetycznych nie sposób odnieść wrażenia, że nie jest to cykliczne krążenie wokół teoretycznego punktu, a raczej dość chaotyczne zmiany w położeniu. Te tak zwane wiekowe zmiany położenia biegunów nie mają jednego prostego wyjaśnienia. Geofizycy, posługując się modelami teoretycznymi, tłumaczą takie fluktuacje w pozycji biegunów między innymi wpływem niedipolowego komponentu pola magnetycznego.
Obserwowane i modelowane zmiany położenia bieguna magnetycznego w poszczególnych latach
Zmiany w skali tysięcy i milionów lat
Zmiany w geologicznej skali czasu to odwrócenie położenia biegunów pola magnetycznego, do którego dochodzi na Ziemi raz na kilkadziesiąt tysięcy lat. Zamiana biegunów występowała już setki razy w przeszłości geologicznej i w tejże skali jest uznawana za wydarzenie chwilowe. Jednak to, co dla geologa jest chwilą, w rzeczywistości może trwać wiele tysięcy lat. Mechanizm powstawania rewersów pola magnetycznego nie jest do końca poznany. Nie jest to również zjawisko, które powtarza się ze znaną cyklicznością. Są okresy w historii geologicznej naszego globu, kiedy bieguny były nad wyraz stabilne i nie dochodziło do przebiegunowania. Tak było na przykład w tak zwanej cichej zonie kredowej (kreda to okres geologiczny w dziejach Ziemi, trwający od 145 do 66 mln lat temu), kiedy to bieguny nie zmieniły swojego położenia przez około 25 milionów lat. Ale są również okresy, kiedy w ciągu kilku milionów lat takich rewersów odkrywamy po kilkanaście. Geolodzy odtworzyli zapis zmian biegunów w czasie do 250 milionów lat wstecz (patrz GSA time scale-pdf). Ostatnie przemagnesowanie na Ziemi nastąpiło 780 tys. lat temu. Jaka jest przyczyna odwróceń, do końca nie wiadomo.
Zapis zmian biegunów Ziemi w późnym kenozoiku. Na czarno zaznaczono okresy polarności normalnej (takiej jak dzisiaj) na biało okresy polarności odwróconej
Do dziś nie wiadomo również, w jaki sposób bieguny zamieniają się miejscami. Jedna z teorii głosi, że pole geomagnetyczne słabnie, aż w pewnym momencie zanika zupełnie, po czym znowu się pojawia już o zmienionych biegunach. Na korzyść tej teorii na pewno przemawia fakt, że do tej pory nie zaobserwowano w skałach zmian położenia biegunów wskazujących, by wędrowały one w sposób ciągły, przekraczając równik i zamieniając się miejscami. Wedle innej teorii pole magnetyczne podczas rewersów magnetycznych „komplikuje się". Przestaje działać model dipolowy, zaczyna przeważać składowa niedipolowa ziemskiego pola magnetycznego. Wedle tej teorii, mimo że ziemskie pole magnetyczne zmienia się dramatycznie, to nie zanika i cały czas chroni planetę przed szkodliwym promieniowaniem Słońca.
Wymodelowane ziemskie pole magnetyczne. Po lewej - w sytuacji stabilnej pomiędzy rewersami, po prawej - w trakcie przebiegunowania
Odkrycie tego niesamowitego fenomenu ziemskiego pola magnetycznego jest dość młode. Jako pierwszy udokumentowany przykład rewersji pola magnetycznego opisał Bernard Bruhnes francuski geofizyk w 1905 r. Odkrył on zapis paleomagnetyczny skał wulkanicznych o orientacji odmiennej od dzisiejszych kierunków pola magnetycznego. Jednak to japoński geofizyk Motonori Matuyama na podstawie wieloletnich obserwacji skał bazaltowych w 1929 r. opublikował pracę, w której przedstawił wywód o zmianach orientacji biegunów ziemskiego pola magnetycznego i ich powiązanie z pozycją stratygraficzną. Potwierdzenie jego teorii przyszło jeszcze kilkadziesiąt lat później – w latach 60 XX w., kiedy ujawniono wyniki skanowania magnetycznego dna Atlantyku, prowadzone w czasie i po II wojnie światowej. Statki badawcze zarejestrowały wtedy pasmowe anomalie magnetyczne, rozciągające się od grzbietu oceanicznego na wschód i zachód. Okazało się, że to lawa, wypływając z grzbietu śródatlantyckiego i zastygając po obu jego stronach, namagnesowywała się zgodnie z obowiązującym w owym czasie ułożeniem biegunów. Te obserwacje dały przyczynek do dalszych badań rewersów pól magnetycznych oraz powszechnego wykorzystania ich wyników w badaniach magnetostratygraficznych.
Schemat powstawania pasów anomalii magnetycznych wzdłuż grzbietów oceanicznych
Joanna Roszkowska-Remin
Państwowy Instytut Geologiczny
Zmiana biegunów - nie koniec świata.Wywiad z profesorem Lewandowskim, geofizykiem. Sprawy Nauki, Z cyklu: przepowiednie zagłady.
Film o zagrożeniu wypływającym z rewersów magnetycznych – po angielsku
