Магнитное поле Земли ослабевает — магнитные кристаллы из затерянных цивилизаций могут дать ключ к разгадке

В 2008 году Эрез Бен-Йосеф раскопал кусок «мусора» железного века и случайно обнаружил самую сильную из когда-либо найденных аномалий магнитного поля.

Бен-Йосеф, археолог из Тель-Авивского университета, работал в южной Иордании с Роном Шааром, который анализировал археологические материалы в районе Леванта. Шаар, геолог из Еврейского университета в Иерусалиме, составлял запись магнитного поля этого района.

Кусок медного шлака — отхода от плавки металлов — который они нашли, зафиксировал сильный всплеск магнитного поля Земли около 3000 лет назад.

Когда команда Бен-Йосефа впервые описала свое открытие, многие геофизики отнеслись к нему скептически, потому что величина всплеска была беспрецедентной в геологической истории. «Не было модели, которая могла бы объяснить такой всплеск», — сказал Бен-Йосеф в интервью Live Science.

Видео от DGL.RU

Поэтому Шаар усердно работал, чтобы предоставить им больше доказательств. После того, как они проанализировали и описали образцы со всего региона в течение более десяти лет, аномалия была принята научным сообществом и названа Левантийской аномалией железного века (LIAA). Примерно с 1100 по 550 год до н. э. магнитное поле, исходящее с Ближнего Востока, колебалось в сильных всплесках.

Шаар и Бен-Йосеф использовали относительно новую технику под названием археомагнетизм. С помощью этого метода геофизики могут заглянуть внутрь магнитных частиц в археологических материалах, таких как металлические отходы, керамика и строительный камень, чтобы воссоздать магнитное прошлое Земли.

Эта техника имеет некоторые преимущества перед традиционными методами реконструкции магнитного поля Земли, особенно для изучения относительно недавнего прошлого.

Как правило, ученые изучают прошлое магнитное поле Земли, глядя на снимки, запечатленные в породах по мере их остывания до твердого состояния. Но образование горных пород происходит нечасто, поэтому в основном это дает ученым представление о магнитном поле Земли сотни тысяч и миллионы лет назад или после относительно редких событий, таких как извержения вулканов. Данные о прошлом магнитном поле помогают нам понять «геодинамо» — двигатель, который генерирует защитное магнитное поле нашей планеты. Это поле генерируется медленно движущимся жидким железом вокруг внешнего ядра планеты, и это движение также может влиять на процессы в мантии, среднем слое Земли, и, в свою очередь, подвергаться их влиянию. Таким образом, различия в магнитном поле намекают на бурления, происходящие глубоко под поверхностью в геодинамо Земли.

«Мы не можем напрямую наблюдать, что происходит во внешнем ядре Земли», — сказал Шаар в интервью Live Science. «Единственный способ косвенно измерить, что происходит в ядре, — это наблюдать за изменениями в геомагнитном поле».

Знание того, каким было магнитное поле в прошлом, может помочь нам предсказать его будущее. А некоторые исследования показывают, что магнитное поле нашей планеты со временем ослабевает. Магнитное поле защищает нас от смертельной космической радиации, поэтому его ослабление может привести к сбою в спутниковой связи и потенциально увеличить риск рака. В результате предсказание магнитного поля на основе его прошлого поведения становится все более важным. Но наблюдательные данные об интенсивности магнитного поля начали собираться только в 1832 году, поэтому трудно делать прогнозы о будущем, если мы лишь смутно понимаем силы, которые управляли магнитным полем в прошлом. Археомагнетизм начал заполнять эти пробелы.

Как мы видим магнитное поле из археологического артефакта?

Археомагнетизм использует тот факт, что наши предки использовали землю вокруг себя — они начали строить костры, делать кирпичи и керамику и, в конечном итоге, плавить металлы.

В каждой из этих задач материалы нагревались до высоких температур. При достаточно высоких температурах тепловая энергия заставляет частицы внутри материала «танцевать». Затем, когда материал извлекается из огня и остывает, магниточувствительные частицы внутри естественным образом ориентируются в направлении магнитного поля Земли, как миниатюрные стрелки компаса. Они «застревают» на месте по мере затвердевания материала и сохраняют эту магнитную ориентацию, если материал не будет снова нагрет.

Осевшие магнитные частицы в археологическом артефакте предлагают уникальный снимок магнитного поля в то время, когда материал был в последний раз горячим. Этот снимок является региональным, охватывая радиус около 310 миль (500 километров) вокруг образца — масштаб, на котором, как считается, магнитное поле является однородным, сказал Шаар. Когда образец датируется с помощью радиоуглеродного анализа или других методов, ученые могут начать строить хронологическую запись магнитного поля области.

Эти артефакты так полезны для геофизиков, потому что магнитное поле Земли постоянно дрейфует. Например, в 2001 году магнитный северный полюс был ближе к самой северной точке Канады, но к 2007 году он сместился более чем на 200 миль (320 км) ближе к географическому северному полюсу. Это потому, что две большие «доли» сильного магнетизма, называемые потоковыми пятнами, во внешнем ядре под Канадой и Сибирью действуют как воронки для магнитного поля, втягивая его в Землю. По мере смещения этих долей смещается и магнитный север.

И хотя большинство линий магнитного поля планеты идут с севера на юг, около 20% отклоняются от этих путей, закручиваясь в вихри, называемые магнитными аномалиями.

Именно эти аномалии исследователи пытаются объяснить, и артефакты могут их раскрыть.

Растущая область

Хотя археомагнетизм существует с 1950-х годов, технологии измерения магнитного поля, такие как магнитометр, с тех пор значительно улучшились. Усовершенствованные методы статистического анализа теперь также позволяют гораздо более детально интерпретировать археомагнитные данные.

Чтобы собрать все данные в одном месте и обобщить наше понимание магнитного поля Земли, ученые начали создавать глобальную базу данных под названием Geomagia50, размещенную в Институте магнетизма горных пород Университета Миннесоты (UM). Но даже по мере роста популярности этой техники существует множество препятствий для ее широкого внедрения.

«Оборудование довольно дорогое», — сказал Live Science Максвелл Браун, геофизик из UM и хранитель базы данных Geomagia50. Самые точные магнитометры могут стоить от 700 000 до 800 000 долларов, сказал Браун. «Так что в [Соединенных Штатах] есть всего несколько лабораторий, у которых есть такое оборудование».

В результате около 90% данных в базе данных Geomagia50 поступает из Европы, сказал Браун. В Африке нет ни одного магнитометра, доступного геофизикам для археомагнитного отбора проб, что означает, что наш магнитный снимок континента в значительной степени пуст. Кроме того, в настоящее время нет никаких возможностей для среднего археолога отправить свои артефакты для отбора проб, добавил Бен-Йосеф. Любой, у кого нет магнитометра, должен заключить официальное партнерство с тем, у кого он есть.

Даже если оборудование доступно, отбор проб требует времени и опыта, сказал Шаар. Измерение направления поля иногда может быть относительно простым, но понимание интенсивности поля требует гораздо больше работы. Образец необходимо нагревать и повторно нагревать 20 раз, постепенно заменяя исходную намагниченность и разрушая образец.

«Звучит как простая вещь: мы кладем его в магнитометр или прибор, и получаем результаты. Нет. Для каждого артефакта мы тратим два месяца на работу в лаборатории, проводя эксперименты и затем получая результаты. Это сложная, экспериментальная процедура», — объяснил Шаар.

Это отсутствие глобальных данных ограничивает наше понимание того, что происходило с магнитным полем в недавней истории. «У нас явно очень сильный перекос [в сторону Европы] в распределении данных», — сказала Live Science Моника Корте, геофизик и магнитный модельер из Немецкого центра геофизических исследований имени Гельмгольца GFZ. «Там, где у нас мало данных, у нас просто очень размытая картина, очень приблизительное представление о том, что происходит».

Географическое разнообразие важно, так как образцы, взятые из одной области, могут указывать на магнитное поле только в этой области.

Например, другие данные, подобные сильным всплескам магнитной силы Левантийской аномалии железного века, были замечены в таких местах, как Китай и Корея, примерно в железном веке, но недостаточно доказательств, чтобы подтвердить их как подлинные аномалии или сказать, связаны ли они с Левантийской аномалией железного века, сказала Корте.

Почему мы должны узнать больше об исторических аномалиях?

Открытие Левантийской аномалии железного века переопределило наше предыдущее понимание потенциальной силы поля, сказал Шаар. Понимание того, насколько сильно может измениться магнитное поле, может показаться чисто абстрактным занятием, но эти древние колебания могут иметь значение для современности.

Другой важной аномалией является Южно-Атлантическая аномалия (SAA), область ослабленного магнитного поля, которая простирается через центральную часть Южной Америки и заканчивается у южной Африки. Вероятно, она впервые появилась 11 миллионов лет назад из-за небольшого различия в расположении магнитной оси и оси вращения в ядре Земли. Поскольку магнитное поле немного смещено от центра относительно оси вращения, сила поля падает над Южной Атлантикой, хотя взаимодействие поля с бурлящей мантией также может способствовать аномалии.

Южно-Атлантическая аномалия существует и сегодня, и она нарушает связь со спутников и Международной космической станции, поскольку слабое магнитное поле в регионе пропускает больше излучения от солнечного ветра. Изучение SAA на протяжении ее истории помогло ученым понять, как наше магнитное поле меняется со временем и как такие аномалии изменяют вероятность инверсии магнитного поля, когда северный и южный полюса Земли меняются местами.

Но хотя у ученых есть разумное понимание Южно-Атлантической аномалии, ее ослабленное магнитное поле сильно отличается от сильных всплесков Левантийской аномалии железного века, которая озадачила геофизиков. И хотя исследователи не определили точный масштаб аномалии, ее, казалось бы, небольшой размер, около 1000 миль (1609 км) в поперечнике, в сочетании с чрезвычайно высокими всплесками в магнитном поле, нелегко объяснить.

Некоторые геомагнетики предположили, что Левантийская аномалия железного века развилась из-за узкого потокового пятна, которое образовалось на внешнем ядре под экватором, прежде чем оно сместилось на север к Леванту, потенциально способствуя другим всплескам интенсивности, зарегистрированным в Китае. Обратное большим долям, которые направляют магнитное поле в планету на Северном полюсе, это «положительное» потоковое пятно вытолкнуло бы поле мощным всплеском. Другие считали, что одно потоковое пятно не перемещалось, вместо этого несколько выросли под Левантом, изверглись и распались на месте. Тем не менее, никакие теории не могут объяснить, почему потоковое пятно вообще развилось.

С самыми последними археомагнитными данными геомагнетик Пабло Ривера из Мадридского университета Комплутенсе опубликовал в январе статью, в которой смоделировал как Левантийскую аномалию железного века, так и Южно-Атлантическую аномалию. Моделируя их движение во времени, его работа предположила, что на обе аномалии мог повлиять суперплюм под Африкой — массивный сгусток горячей породы на границе между ядром и мантией, который может нарушить поток геодинамо под ним.

Однако многое до сих пор неизвестно.

«Пока нет ни одной симуляции, которая действительно хорошо описывала бы все [магнитные] особенности, которые мы видим», — сказала Корте в интервью Live Science.

Многие археомагнитные точки данных со всего земного шара предполагают, что могут быть и другие всплески интенсивности, которые могли бы помочь разгадать тайну и создать единую теорию для объяснения SAA, LIAA и других всплесков. Но в настоящее время недостаточно данных, чтобы точно описать их или даже начать понимать их причины.

«Мы не очень хорошо понимаем, что вызывает эти аномалии, но мы надеемся узнать больше о том, как работает геодинамо и какие изменения мы также можем ожидать для будущего магнитного поля», — сказала Корте.

Эта уверенность нужна сейчас как никогда, так как все больше наших коммуникаций переходит в космос. Более 13 500 спутников в настоящее время вращаются вокруг Земли — резкое увеличение с примерно 3000 в 2020 году. Государственное контрольное управление оценивает, что к 2030 году будет запущено еще 54 000 спутников. Эти спутники отслеживают погодные условия, отправляют телефонные и телевизионные сигналы и создают GPS.

Спутники, как правило, защищены от космической радиации магнитным полем Земли. Но в местах, где поле слабее, например, над Южно-Атлантической аномалией, у спутников больше проблем с памятью, так как излучение бомбардирует бортовые компьютеры и повреждает данные.

Заполнение картины

Несмотря на затраты и технические трудности археомагнетизма, существует множество инициатив по расширению объема данных. В США Институт магнетизма горных пород расширяет свою программу археомагнетизма, чтобы начать строить более подробную историю магнитного поля на Среднем Западе, надеясь создать собственную локализованную систему датировки с использованием археомагнетизма, аналогичную записи, которую Шаар и его сотрудники создали в Леванте.

«Парачастицы» — возможно, третий царство квантовых частиц, меняющее правила игры