zmiana biegunów - nie koniec świata

Z cyklu: przepowiednie zagłady

Z prof. Markiem Lewandowskim, dyrektorem Instytutu Nauk Geologicznych PAN, rozmawia Anna Leszkowska

  -  Panie profesorze, od paru lat media coraz głośniej lansują przepowiednie zagłady cywilizacji, a wśród nich – tę, spowodowaną przebiegunowieniem Ziemi. Według medialnych „proroków” ma to nastąpić w 2012 roku, na co wskazuje malejące pole magnetyczne Ziemi oraz większa szybkość wędrówki biegunów magnetycznych – z 10 km w XX w. do 40 km obecnie. Czy te zjawiska rzeczywiście powinny budzić niepokój ludzi?

• Nie, nie powinny budzić niepokoju, ale żeby móc racjonalnie odpowiedzieć na tak postawione pytanie, trzeba oddzielić medialne sensacje od wiedzy. Ruchy biegunów magnetycznych, wcale nie jednakowe na półkulach północnej i południowej, jak również zmiany natężenia pola geomagnetycznego, to naturalne cechy tego pola. Przyznać jednak wypada, że powszechna wiedza na temat historii pola geomagnetycznego i procesów rządzących jego zmianami jest znikoma, stąd jest to dobra gleba do siania takich emocji.
  Obecny stan wiedzy można pokrótce opisać następująco. Źródłem pola geomagnetycznego są prądy konwekcyjne i wirowe w płynnym, zewnętrznym jądrze Ziemi, którego temperatura jest bliska 2700^oK (niektóre szacunki mówią o temperaturze 5000^oK) i które w tych warunkach termodynamicznych jest przewodnikiem prądu elektrycznego. Konwekcja w jądrze generuje pole geomagnetyczne, którego dominująca część (pole toroidalne) jest uwięzione we wnętrzu jądra, jednak pozostała (pole poloidalne) wydostaje się z jądra i tworzy obserwowane przez nas na powierzchni pole geomagnetyczne o cechach dipola. Pole dipolowe, stanowiące główną część pola ziemskiego, indukuje z kolei i podtrzymuje przepływ prądu w jądrze, regenerując system geomagnetyczny, który bez tej indukcji wytraciłby energię i zamarł. Opisany wyżej w ogromnym uproszczeniu mechanizm nazywamy modelem samowzbudnego geodynama.

Do roku 1906 model ten nie był nikomu potrzebny, od czasów Gilberta (1600) przyjmowano bowiem, że pole geomagnetyczne jest efektem trwałego namagnesowania jądra Ziemi, uważanego za ciało stałe zbudowane z żelaza. Taki obraz jądra uległ radykalnej zmianie po odkryciu przez geofizyków (Oldham, 1906) płynnej natury jądra. Paradoks generowania pola magnetycznego przez ciało o płynnym stanie skupienia Einstein określił mianem jednego z naczelnych problemów fizyki. Wkrótce potem Larmour (1919) przedstawił pierwszy, koncepcyjny model geodynama. Kolejny model Elssasera (1947) geodynama stał się podstawą współczesnego zrozumienia procesów generacji pola geomagnetycznego

Z biegiem czasu model Larmoura musiał ulec znaczącej komplikacji, wskutek nowych danych o istnieniu stałego jądra wewnętrznego (Lehmann, 1936), dynamicznych zmian niedipolowej części pola oraz, przede wszystkim, odkryciu niezwykłej cechy pola geomagnetycznego, jakim jest jego zdolność do inwersji biegunów.

Dowody inwersji pola geomagnetycznego odnajdujemy w zapisie geologicznym, dzięki badaniom paleomagnetycznym. Na początku XX w. najpierw Brunhes, a potem Chevallier przedstawili świadectwa znaczących zmian pola dipolowego w przeszłości geologicznej, zapisanych w skałach magmowych, jednak ich współcześni przypisywali zjawisko odwrotnego namagnesowania właściwościom petrofizycznym skał, a nie procesom inwersji pola geomagnetycznego. Dopiero Ian Hospers (1953, 1954), z uniwersytetu w Utrechcie, wykazał w swojej rozprawie doktorskiej, że skały wulkaniczne Islandii zawdzięczają naprzemienne namagnesowanie kolejnym odwróceniom polarności pola geomagnetycznego, przy zachowaniu ogólnej zgodności osi tego pola z osią rotacji Ziemi.
Kilka lat później Rikitake, geofizyk japoński, przedstawił model geodynama, mającego zdolność spontanicznej inwersji biegunów magnetycznych. Kiedy na początku lat 60 ujawniono fakt pasowego i równoległego do grzbietów podmorskich rozkładu anomalii magnetycznych den oceanicznych, (badania magnetyczne den oceanicznych prowadzone były jeszcze w czasach II wojny światowej, ale wyniki utrzymywano przez długi czas w tajemnicy), Vine i Mathews zinterpretowali ten obraz jako efekt naprzemiennego namagnesowania skał podścielających oceany w okresach różnej polarności pola geomagnetycznego. Ten model dał początek nowej, mobilistycznej teorii tektoniki globalnej, wyjaśniającej genezę grzbietów oceanicznych jako strefy ekspansji oceanów oraz powiązany z tym ruch kontynentów. W ten sposób paleomagnetyzm stał się podstawą rewolucji w naukach o Ziemi.

• Te odkrycia dotyczyły mechanizmu zmian pola geomagnetycznego, a co z przemieszczaniem się biegunów?
  
  

• Proces zmiany polarności pola geomagetycznego także zapisany jest w skałach. Dzięki badaniom paleomagnetycznym wiemy, że moment magnetyczny pola dipolowego fluktuuje w skali czasu geologicznego wokół pewnej wartości średniej, przy czym bieguny geomagnetyczne meandrują w czasie blisko osi obrotu Ziemi. W geologicznej skali czasu można przyjąć, że obie osie są ze sobą zgodne. Jednak średnio raz na kilkaset tysięcy lat moment dipolowy maleje prawie do zera, a oś dipola oddala się od osi obrotu planety. Następnie pole dipolowe odradza się i bieguny magnetyczne ponownie znajdują swoje miejsce blisko biegunów geograficznych, jednak polarność dipola nie musi być zgodna ze stanem wyjściowym. Cały proces trwa średnio kilka tysięcy lat.
  Nie znamy przypadków, aby inwersja nastąpiła z dnia na dzień, aczkolwiek obecny stan wiedzy dostarcza przykłady częstych inwersji w krótkim okresie czasu geologicznego. Tak było na początku okresu jurajskiego, kiedy proces rozpadu superkontynentu Pangei zachodził szybko i niezwykle dynamicznie. Z drugiej strony długie, sięgające kilkudziesięciu milionów lat, okresy, w których pole nie zmieniało znaku, nie należały do rzadkości w historii Ziemi. Do tej pory doliczyliśmy się kilkuset inwersji w okresie ostatniego pół miliarda lat. Ostatnia inwersja zdarzyła się ok. 780 tys lat temu.
  Mimo wielu prób, nie dowiedziono żadnego wpływu inwersji pola geomagnetycznego na życie biologiczne, a sam rodzaj ludzki przeżył już kilka inwersji. Zwróćmy uwagę, że inwersje pola geomagnetycznego związane są z zanikiem - przynajmniej chwilowym – głównej części pola geomagnetycznego (dipolowego), chroniącego nas na co dzień przed promieniowaniem kosmicznym. Pole resztkowe, które pozostaje po zaniku pola głównego, może mieć mniejszą zdolność do przechwytywania naładowanych cząstek wiatru słonecznego. Trudno też sobie wyobrazić wszystkie konsekwencje zaniku pola na kilka tysięcy lat dla infrastruktury, w szczególności w sferze nawigacji.
  Jedno jest ważne: ze wszystkich obserwacji, jakie zebraliśmy dotychczas wynika, że prawdopodobieństwo zaistnienia inwersji jest cały czas takie samo, co odróżnia mechanizm inwersji od procesów relaksacji naprężeń w strefach sejsmicznych czy uwalniania nadmiaru energii termicznej w strefach wulkanicznych. W przypadku pola geomagnetycznego tego nie ma – proces inwersji może się zacząć jutro, ale równie dobrze i za kilkadziesiąt milionów lat...

Tak czy owak, przypuszczenie, że pole geomagnetyczne zniknie z dnia na dzień wydaje mi się tak absurdalne, że trudno z nim dyskutować, podobnie jak z przepowiednią nagłego zatrzymania ruchu obrotowego Ziemi. Obie wersje są podobnie absurdalne jak zatrzymanie jabłka tuż nad głową Newtona. Nie mogę jednak stwierdzić z całą pewnością, że proces inwersji nie może trwać np. tylko kilkaset lat. Obserwowany dziś spadek natężenia pola geomagnetycznego jest w moim przekonaniu naturalną fluktuacją w kierunku średniej wartości momentu dipolowego, gdyż obecnie pole geomagnetyczne cechuje się wysokim natężeniem, a jego apogeum miało miejsce około 2000 lat temu. Czy to jest trend zmierzający ku katastrofie, czy też nie – tego nie wiem. Ale są też takie przypuszczenia, że obserwowany spadek momentu dipolowego to artefakt, wynikający z postępu technologicznego pomiarów składowych pola geomagnetycznego, który w ostatnich latach pozwolił wyodrębnić składową generowaną przez wiatr słoneczny. Po uwzględnieniu tej poprawki, obliczone natężenie pola geomagnetycznego jest niższe niż rejestrowane w poprzednich dekadach, kiedy poprawki tej nie uwzględniano.

• Ale magnetosfera Słońca też słabnie...
  
  

• Słońce wykazuje aktywność magnetyczną w cyklu 11-letnim i chociaż obecnie jest ona nieco słabsza niż można by oczekiwać, to jednak sam cykl nie jest zaburzony. Jednak nasza wiedza na temat aktywności magnetycznej Słońca ma dopiero 150 lat. Nie jest więc wykluczone, że obserwowana w zapisie paleomagnetycznym cykliczność zmian momentu dipolowego jest związana z innym niż 11-letni, a jeszcze nie poznanym, cyklem aktywności magnetycznej Słońca. W ogólności, obserwacji prowadzonych w czasach historycznych nie można bez pewnego ryzyka ekstrapolować wstecz na całą historię geosystemu. Procesy przyrodnicze, które działają dziś, działały także w przeszłości (zasada aktualizmu Lyell’a), jednak skutki ich działania mogły pozostawić różne efekty w zapisie geologicznym, choćby ze względu na okresową, bądź sporadyczną, interferencję tych procesów. Jedno jest jednak dla mnie pewne – życie zawdzięczamy w ogromnej mierze konwekcji w jądrze. Będzie ona trwała tak długo, jak długo temperatura jądra nie spadnie poniżej pewnej wartości krytycznej, w której przejdzie ono w stan stały. Niektóre hipotezy zakładają, że jądru brakuje już tylko 120^oK do tej wartości...
  
  

• Dziękuję za rozmowę.