Dokąd wędrują bieguny?

Każdy z nas ze szkoły podstawowej wie, gdzie znajduje się biegun geograficzny północny i południowy Ziemi. Uczyliśmy się też, że bieguny magnetyczne leżą gdzieś niedaleko. Okazuje się jednak, że nasza wiedza dezaktualizuje się bardzo szybko, tak szybko jak uciekają bieguny magnetyczne. W takim razie, gdzie znajduje się biegun magnetyczny Ziemi?

Pole magnetyczne w sposób naturalny tworzy się we wnętrzu i dookoła Ziemi. Nasza planeta nie jest statycznym naładowanym magnesem, a pole magnetyczne powstaje w wyniku ciągle zachodzącego procesu nazwanego dynamo. Badania sejsmiczne na początku XX wieku udowodniły, że Ziemia składa się z kilku warstw, ze stałego jądra wewnętrznego z prawie czystego żelaza, z płynnego jądra zewnętrznego również złożonego głownie z żelaza, skalnego płaszcza i skorupy ziemskiej. 

Zewnętrzne jądro zawiera przewodzące masy z dużą zawartością żelaza, które podlegają ciągłemu ruchowi, głównie dzięki prądom konwekcyjnym. Siła Coriolisa pochodząca od obrotu Ziemi wokół własnej osi również wprawia je w ruch, co powoduje powstawanie pola magnetycznego. Chociaż sam mechanizm generowania pola elektromagnetycznego przez poruszające się ładunki jest stosunkowo prosty, to poziom skomplikowania ruchów zachodzących tysiące kilometrów pod naszymi stopami utrudnia całkowite zrozumienie zjawiska. Dopiero powstanie komputerów zdolnych tworzyć skomplikowane symulacje pozwoliło na opracowanie jego przybliżonych modeli.  Przemieszczanie się przewodzącego płynu generuje pole, które wpływa też na jego ruch, dlatego kluczowe okazało się zaproponowanie takiego ruchu prądów, żeby mechanizm nie wygaszał sam siebie.

Północ czy południe

Biegun magnetyczny ziemi to miejsce, w którym linie pola magnetycznego są prostopadłe do powierzchni Ziemi, a igła kompasu próbuje ustawić się pionowo i wskazywać obszar pod naszymi stopami. Bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Okazuje się, że pole magnetyczne nie jest symetryczne względem osi obrotu Ziemi, dlatego bieguny północny i południowy nie leżą też dokładnie po przeciwnych stronach planety. Chociaż w uproszczeniu przedstawia się pole magnetyczne Ziemi w takim kształcie, jakby pochodziło od wielkiego dipola znajdującego się w środku planety, to w rzeczywistości tak nie jest.  Co więcej, biegun magnetyczny znajdujący się na półkuli północnej nazywamy biegunem magnetycznym północnym, chociaż z punktu fizyki jest to biegun… południowy, ponieważ przyciąga biegun północny magnesu. Prawdziwy galimatias!

Zjawisko występowania pola magnetycznego zostało wykorzystane w konstrukcji kompasu, który pomagał odnajdywać się w terenie. Już w starożytnych Chinach zauważono, że igła wykonana z tlenku żelaza- magnetytu zawsze ustawia się w kierunku wskazującym północ-południe. Urządzenie takie zaczęto wykorzystywać do nawigacji morskiej. Dopiero kilkaset lat później zauważono, że wskazania kompasu nie zgadzają się dokładnie z geograficznym kierunkiem, ponieważ bieguny magnetyczny i geograficzny znajdują się w tym samym miejscu. Co prawda na większości powierzchni naszej planety z daleka od biegunów można założyć, że kierunek do bieguna geograficznego nie różni się praktycznie wcale, ale odkąd nawigacja stała się bardziej dokładna, różnica ta nabrała dużego znaczenia. Różnica kierunków magnetycznego i geograficznego nazywa się deklinacją.

Wędrówki bieguna

Jeszcze, jakby tego było mało, bieguny magnetyczne zmieniają swoje położenie w czasie. Po raz pierwszy położenie północnego bieguna magnetycznego odkrył w 1831 roku brytyjski oficer i badacz Arktyki i Antarktydy James Clark Ross. Od tamtego momentu biegun przewędrował 2250 km. Jego odpowiednik na drugiej półkuli na zdobycie czekał do 1909 roku, kiedy dotarła do niego ekspedycja geologa Edgewortha Davida.

Jak wiadomo, pole magnetyczne Ziemi podlega ciągłym zmianom na skutek ruchów prądów żelaza w płynnym jądrze Ziemi. Ruchy te są niejednorodne i trudno jest z dużą dokładnością przewidzieć położenia biegunów magnetycznych Ziemi w przyszłości. Światowy model magnetyczny (WMM) został stworzony, aby pokazywać, jak wygląda pole magnetyczne, a w szczególności w którym miejscu znajdują się bieguny magnetyczne.

Dane do modelu zbierane są z satelitów i obserwatoriów na Ziemi.  Jest on uaktualniany przez Amerykańską Narodową Służbę Oceaniczną i Meteorologiczną oraz Brytyjski Instytut Geologiczny co pięć lat. Obserwacja zmian położenia biegunów magnetycznych pokazała, że od lat 90. ich ruch znacząco przyspieszył. Zmiana nastąpiła w 2018 roku, kiedy biegun magnetyczny przemieścił się tak szybko, że wymusił wcześniejszą zmianę modelu. Przesunął się wtedy o ok. 55 km.

Szybka zmiana

Interesującym zjawiskiem zachodzącym w nieregularnych odstępach czasowych jest przebiegunowanie, czyli zamiana biegunów północnego z południowym. Wiemy, że takie zjawisko miało już wielokrotnie miejsce, ponieważ pole magnetyczne może być zapisane w skałach. W przeszłości, kiedy spod powierzchni Ziemi wydobywała się magma, zawarte w niej minerały ferromagnetyczne układały się zgodnie z polem magnetycznym Ziemi. Po zastygnięciu namagnesowanie pozostało, stąd dzisiaj możemy odczytać, że bieguny wielokrotnie zamieniały się miejscami.

W czasie zamiany pole magnetyczne często słabnie i zmienia się w chaotyczny sposób. Zazwyczaj niezauważalne anomalie powodowane przez prądy konwekcyjne we wnętrzu Ziemi mogą sprawić, że w jednym momencie na Ziemi znajdzie się kilka biegunów. Taki chaos w czasie zamiany biegunów może trwać nawet kilka tysięcy lat. Ostatnio zdarzyło się to 780 tys. lat temu.

Zdjęcie: National Oceanic and Atmospheric Administration NOAA, maps.ngdc.noaa.gov

Autor

Kamila Rajfur

Fascynują mnie przede wszystkim najnowsze osiągnięcia z dziedziny nanotechnologii, ale ze zdumieniem dziecka obserwuję też odkrycia naukowe z innych dziedzin. Ukończyłam kierunek Fizyka Techniczna na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki na Politechnice Wrocławskiej. Uwielbiam żeglować, szczególnie pod wiatr oraz odkrywać Polskę po kawałku. Z zajęć domowych wygrywają książki i puzzle.

Więcej od tego autora