За изменения климата в масштабах сотен и тысяч лет отвечает магнитное поле Земли

Предположительно последний раз смена магнитных полюсов Земли произошла около 780 тыс. лет назад. Иллюстрация Depositphotos/PhotoXPress.ru

Какие физические процессы могут быть ответственны за изменения климата? В масштабах десятков миллионов и более лет таковыми, безусловно, являются движения материков. За изменения климата в масштабах нескольких лет могут быть ответственны изменения активности Солнца и извержения вулканов. А вот причины изменений климата в масштабах веков не исследованы и остаются неведомы.

Ливермор и его команда

Никем не показано, что климат в масштабах столетий должен быть стационарным. Чередование ледниковых периодов и периодов потеплений может являться частью колебательного процесса, физику и геофизику которого еще только предстоит понять. Поэтому естественно обратиться к поиску физических процессов, которые ответственны за изменения климата. Кандидатов не так уж много.

1. Изменение активности Солнца в масштабах столетий и тысячелетий. Наиболее известен и лучше всего изучен солнечный цикл с длительностью около 11 лет (цикл Швабе). Выделяют также удвоенный цикл Швабе длиной около 22 лет (цикл Хейла), имея в виду, что состояние глобального магнитного поля Солнца возвращается к исходному через два полных 11-летних цикла. То есть циклы Хейла и Швабе определяются магнитным полем Солнца.

В поведении солнечной активности имеются также гораздо менее выраженные циклы большей длительности: например, цикл Гляйсберга с периодом около одного века, а также сверхдлинные циклы длиной в несколько тысяч лет.

Таким образом, изменения климата на Земле в масштабах сотен лет в принципе могут определяться циклом солнечной активности. Однако такие циклы пока изучены недостаточно, чтобы делать научные выводы об их влиянии на земной климат. Пока это только одна из гипотез.

2. Изменение орбиты Земли. Орбита нашей планеты теоретически могла бы меняться под влиянием притяжения к другим планетам Солнечной системы. Однако ни теоретических, ни экспериментальных данных о существенном изменении земной орбиты под влиянием тяготения в настоящее время нет. Поэтому данную гипотезу можно рассматривать как чистую спекуляцию.

3. Прецессия земной оси. Прецессия – процесс, который наблюдал каждый, вращая волчок. Полный цикл земной прецессии составляет около 2765 лет. Это явление, прецессия земной оси, ответственным за изменения климата в масштабах столетий не может быть.

Кроме того, в результате прецессии меняется освещенность Северного и Южного полушарий, когда льды таят на Северном полюсе, они наращивались бы на юге, и наоборот. Однако ледниковые периоды и потепления проходили по всей земле.

4. Изменения магнитного поля земли. При инверсии северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами. Предположительно последний раз инверсия магнитных полюсов произошла около 780 тыс. лет назад. И она тоже ответственной за изменения климата за время существования Homo sapiens быть не могла.

Недавно при исследовании истории магнитного поля новейшими методами обнаружилось, что после последнего временного сдвига оси, который произошел около 40 тыс. лет назад, северная стрелка компаса еще несколько тысячелетий указывала на современный южный полюс. А глобально полюса, напомню, менялись местами примерно 780 тыс. лет назад. Такое запаздывание (подобное эффекту гистерезиса) с точки зрения физики Земли само по себе интересно. Но поскольку оно происходит не чаще чем раз в сотни тысяч лет, ответственным за изменения климата в масштабах десятилетий и столетий оно быть не может.

Однако возможен и более мягкий процесс, когда изменения магнитного поля Земли, как по его напряженности, так и в географическом положении полюсов, происходят на сравнительно небольшую величину, без смены северного магнитного полюса на южный магнитный, а южного на северный. Оба эти процесса детектированы в последнее время.

Показано, что за последние несколько сотен лет напряженность магнитного поля Земли плавно, но довольно заметно снизилась, а положение северного и южного магнитных полюсов значительно изменилось. Как отметил руководитель этих исследований геофизик из Лидского университета доктор Фил Ливермор, ученых уже давно интересует, почему северный магнитный полюс, который ранее располагался в окрестностях островов Элсмир в канадской Арктике, в последние два десятилетия перемещается на север, сдвигаясь в сторону России примерно на 50–55 км каждый год.

Ливермор и его команда пытаются найти ответ на этот вопрос с ноября 2013 года – с тех пор, как Европейское космическое агентство запустило спутниковую космическую миссию Swarm, нацеленную на изучение магнитного поля Земли. Три года назад исследователи заметили, что магнитное поле в северных приполярных районах сильно и быстро меняется, так что получалась своеобразная «ромашка» из чередующихся зон с аномально слабым и аномально сильным магнитным полем. Иногда напряженность поля в «лепестках» всего за сезон менялась на значение, равное половине общей силы магнитного поля планеты.

Как предполагают ученые, в последнюю треть прошлого века такой «лепесток», расположенный под Канадой, резко поменял форму. Его границы сильно расширились, из-за чего сила его воздействия на магнитное поле Земли упала, а движение полюса в сторону России резко ускорилось.

В результате, отмечает Ливермор, два года назад северный магнитный полюс пересек линию перемены дат и официально оказался в Восточном полушарии. По последним прогнозам геофизиков, скорость и траектория его движения в ближайшие годы не изменятся, так что магнитный полюс сдвинется еще на 390–660 км к югу, но северных берегов Евразии не достигнет.

Причиной изменения напряженности магнитного поля и его положения могут быть струи расплавленного метала, двигающиеся с большой скоростью по близким к круговым орбитам под Северным полюсом планеты, увидеть которые стало возможным благодаря исследованиям со спутников.

Кто управляет Гольфстримом

Может ли изменение напряженности и географического положения магнитных полюсов Земли быть ответственным за изменения климата в масштабах веков и десятилетий? Теоретически ответ на этот вопрос, безусловно, является положительным.

Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля может влиять на интенсивность и направление океанических течений, подобных Гольфстриму. Вспомним, что вода – это электролит. Даже чистая вода. Концентрация положительных ионов водорода (H+) и отрицательных ионов гидроксильной группы (OH−) имеет порядок 10–7. Другими словами, в ионизированном состоянии находится одна десятимиллионая часть массы воды. Величина как будто бы небольшая, но если речь идет о движениях громадных масс, масса ионов воды в них воистину колоссальна.

Так, Гольфстрим (протяженностью тысячи километров и шириной того же порядка) движет более тысяч кубических километров воды, а значит, в ионизированном состоянии находится порядка миллиарда кубометров катионов ионов водорода и анионов гидроксида. Под действием постоянно действующих на ионы воды сил в направлениях океанских течений могут происходить изменения.

Разумеется, для оценки влияния изменения напряженности магнитного поля Земли на течения типа Гольфстрима требуется проведение математического моделирования. Но из рассмотрения проблемы на качественном физическом уровне ясно, что такое влияние может быть очень серьезным, вплоть до изменения направления океанских течений.

Изменение положения магнитных полюсов планеты и напряженности магнитного поля при взаимодействии с ионизированной атмосферой Земли может влиять на интенсивность муссонов и их направление. В верхних слоях атмосферы ионы возникают под действием коротковолнового солнечного излучения. В нижних – ионизаторами нейтральных атомов и молекул являются главным образом радиоактивное излучение и космические лучи.

Взаимодействие магнитного поля Земли с ионами воздуха в нижних слоях (тропосфера и стратосфера) и в верхних слоях (мезосфера и термосфера) имеет разную физическую природу и различается по порядку величины. Однако взаимодействие ионов воздуха с магнитным полем Земли и в том, и в другом случае существенно влияет на муссоны (ветры, возникающие на границе суши и океана), на хамсины (изнуряющие жаркие ветры в Африке и на Ближнем Востоке), а также на частоту, интенсивность и направление ураганов. А значит, это может влиять на климат как в региональных масштабах, так и в масштабе планеты.

Возвращение к Птолемею

Другой результат изменения магнитного поля Земли – наложение на прецессию, определяемую вращением Земли вокруг Солнца и магнитным полем Солнца в орбите Земли, прецессии, определяемой изменением магнитного поля самой Земли. В случае взаимодействия изменения магнитного поля Земли с прецессией, определяемой вращением Земли вокруг Солнца, может иметь место прецессия прецессии, имеющая частоту, определяемую движением магнитного поля Земли и изменением его интенсивности.

Если для простоты предположить, что обнаруженное Ливермором с соавторами движение северного магнитного полюса в действительности является круговым, то прецессия прецессии Земли по форме напоминает эпициклы – круговое движение вокруг двигающейся по кругу орбиты. Впервые эпициклы были введены 2 тыс. лет назад Клавдием Птолемеем для объяснения движения планет с учетом гравитации Солнца и других небесных тел.

Когда стало понятно, что, движения любых масс определяются законом всемирного тяготения, теория эпициклов Птолемея была признана ошибочной. Однако в случае прецессии прецессии магнитного поля Земли эпициклы прецессии вращения Земли, а не траектория движения Земли, возможно, являются правильным описанием в достаточно неплохом приближении происходящих изменений оси магнитного поля Земли. Которое, в свою очередь, может оказаться ответственным за изменения климата в масштабах тысячелетий, столетий и десятилетий.

Прецессия прецессии Земли, безусловно, может отвечать за изменение климата в масштабах десятков, сотен и тысяч лет. 

Нью-Йорк