Anomaliile câmpului magnetic al Pământului se extind imprevizibil. Care sunt urmările posibile?

Anomaliile câmpului magnetic al Pământului reprezintă, de multă vreme, un subiect de interes pentru specialişti şi pentru publicul larg, prin dinamica şi complexitatea lor, dar ceea ce frapează, în ultima vreme, este extinderea acestora, cauzele fiind puţin cunoscute, iar potenţialele efecte, de neignorat. Deşi, astăzi, graţie tehnologiei, se pot face predicţii, există incertitudini mari legate de evoluția acestui fenomen pe termen lung.

Câmpul magnetic al Pământului – origine, caracteristici

Câmpul magnetic al Pământului este un câmp fizic generat în interiorul planetei, care se extinde în spațiu până la distanțe cât 10 – 12 raze terestre (formând magnetosfera) și influențează particulele încărcate electric. Datorită acestuia, planeta noastră şi viaţa sunt protejate de radiaţiile cosmice, de vântul solar (un flux de particule – electroni şi protoni – emis de atmosfera superioară a Soarelui).

Dacă ne imaginăm Pământul ca un magnet uriaş, polul nord al magnetului se află lângă Polul Nord geografic, iar polul sud, în apropiere de Polul Sud geografic, forma câmpului magnetic al Terrei fiind aproximativ un dipol magnetic înclinat cu circa 11° față de axa de rotație a Pământului – liniile de câmp ies din regiunea Antarcticii și intră în regiunea Arcticii.

Originea acestui câmp magnetic se află în “miezul” Pământului, mai exact în “nucleul extern” al planetei, aflat la o adâncime de aproximativ 2900 – 5100 km şi care funcţionează ca un electromagnet uriaş.

Nucleul extern este stratul lichid (spre deosebire de nucleul intern, care este solid), situat între mantaua inferioară și nucleul intern al planetei, este format în principal din fier lichid, amestecat cu nichel și elemente ușoare (sulf, oxigen, siliciu), la temperaturi foarte ridicate, de aproximativ 4000–6000°C. şi având o grosime de circa 2 200 km.

Mișcarea fluidelor în interiorul Pământului (mişcări de convecţie) generează curenți electrici, iar aceştia formează câmpul magnetic al Pământului. Fără nucleul extern lichid, Pământul nu ar avea câmp magnetic. Are, de asemenea, o influență majoră asupra evoluției termice a Terrei.

Anomaliile câmpului magnetic al Pământului

Anomaliile câmpului magnetic sunt zone ale Pământului unde intensitatea sau direcția câmpului magnetic diferă semnificativ fata de valorile “normale” pentru acea regiune. Cu alte cuvinte, câmpul magnetic nu este perfect uniform – apar zone în care este mai slab, in altele, mai puternic sau are o orientare diferită.

Astfel de “anomalii” sunt determinate de variații ale câmpului generat de nucleu, de proprietăți ale scoarței terestre, de interacțiunea cu particulele provenite de la Soare.

Există anomalii ale scoarței terestre (crustale), fixe în timp (pe scări de milioane de ani), care apar din cauza concentrațiilor mari de minerale magnetice (magnetit, hematit), a structurilor geologice (lanțuri muntoase, bazine sedimentare, roci foarte dense) sau a vechilor inversări magnetice “înghețate” în roci. Acestea se manifestă la altitudine mică, în special în prospecțiuni geologice sau minerit.

Există şi anomalii temporare ale câmpului geomagnetic, care provin din nucleul extern (sunt legate de mișcările fluidului din nucleu), apar în tot câmpul magnetic al Pământului şi influențează orientarea polilor magnetici. Acestora li se adauga anomaliile câmpului magnetic produse de furtuni geomagnetice (temporare – minute, zile), sunt determinate de ejecții de masă coronală şi de vânturile solare.

Anomaliile câmpului magnetic al Pământului, care se manifestă imprevizibil – Anomalia Atlanticului de Sud (SAA)

Anomalia Atlanticului de Sud (SAA) este cunoscută şi îi preocupă pe oamenii de ştiinţă de multă vreme, iar observaţiile recente ale NASA şi ale Agenţiei Spaţiale Europene (ESA), făcute cu ajutorul unor sateliţi (misiunea “Swarm”), arată că aceasta creşte continuu (ca o “adâncitură”) în câmpul magnetic al Pământului.

SAA (South Atlantic Anomaly) reprezintă o zonă uriaşă, de aproximativ 7,8 milioane kilometri pătraţi, situată între Chile (vestul Americii de Sud) şi Zimbabwe (sud-estul Africii), iar din 2014, până astăzi, s-a extins cu o suprafaţă echivalentă cu jumătate din cea a Europei.

Originea fenomenului a rămas, până în prezent, o necunoscută, presupunându-se doar că ar putea fi vorba de un flux magnetic generat de mișcările rocilor topite din miezul (nucleul extern) al Pământului, compus din fier lichid. Necunoscută rămâne şi cauza pentru care câmpul magnetic dinspre Africa slăbeşte mai mult decât cel dinspre America de Sud. Mai mult, sublinia unul dintre specialiştii NASA, “în mod normal, ar fi de așteptat să vedem linii de câmp magnetic care ies din nucleu în emisfera sudică, dar sub SAA (Anomalia Atlanticului de Sud) se văd zone neașteptate, în care câmpul magnetic, în loc să iasă din nucleu, se întoarce în acesta”.

Se mai crede că o posibilă cauză a SAA ar fi o regiune imensă de rocă densă, aflată la circa 2 900 km sub continentul african.

Ciudată este, după cum observa un heliofizician NASA, Ashley Greeley, şi deplasarea “în derivă” a Anomaliei Atlanticului de Sud, precum şi tendinţa de divizare a SAA în două “celule” distincte, în cadrul anomaliei mari.

O altă ipoteză este că SAA ar putea indica începutul unei inversări a polilor magnetici ai Pământului, care se produce, în medie, la 300 000 – 400 000 de ani, fără a se putea spune însă, cu certitudine, acest lucru.

SAA şi inversarea polilor magnetici ai Pământului

Inversarea polilor magnetici ai Pământului nu intră în categoria “anomaliile câmpului magnetic”, pentru că este un proces natural, global, care a mai avut loc în trecut, după cum estimează cercetările ştiinţifice, dar SAA ar putea anticipa producerea unui astfel de fenomen, chiar dacă nu există o legătură cauzală directă.

În schimb, o anomalie mare şi persistentă poate fi un indiciu că ceva se schimbă în dinamica nucleului extern al Pământului şi sunt cercetători care susţin că astfel de anomalii (precum SAA) pot apărea în perioade în care câmpul se apropie de o inversare.

Polul nord magnetic se deplasează încontinuu şi, de câţiva ani, s-a îndepărtat de regiunea arhipelagului canadian, deplasându-se cu o viteză anormal de mare şi în continuă creştere (de 40 de kilometri pe an) spre Siberia. Numai în ultimul deceniu, polul magnetic nordic s-a deplasat, la fiecare cinci ani, cu aproximativ un grad, devierea fiind, în prezent, faţă de poziţia anterioară, de 100 de kilometri.

Ultima inversare majoră a polilor magnetici ai Pământului (Inversarea Brunhes–Matuyama) a avut loc în urmă cu 780 000 de ani, în rocile oceanice existând dovezi ale nenumăratelor inversări din trecut. Un astfel de proces nu se întâmplă brusc, poate să dureze mii de ani (1000–10 000) şi, deşi efectele nu sunt de ignorat, nu este un fenomen periculos pentru existenţa pe Pământ – dovadă că viața a supraviețuit tuturor inversărilor.

Anomaliile câmpului magnetic al Pământului – alte exemple

Anomaliile câmpului magnetic al Pământului, adică variații ale câmpului generate de dinamica nucleului extern şi care afectează câmpul geomagnetic la scară mare, se manifestă şi în alte zone, cu aceeaşi tendinţă de accelerare în ultimii ani. Iată câteva alte exemple:

• Anomalia din Siberia (sau “lobul estic”) – în zona Siberiei câmpul magnetic este mai puternic decât media globală. Această “bulă” puternică influențează traiectoria Polului Nord Magnetic, făcându-l să migreze accelerat spre Rusia.
• Slăbirea câmpului în zona Canadei (“lobul vestic”) – deasupra Canadei există o zonă în care câmpul este mai slab decât modelul dipolar simplu. Slăbirea s-a accentuat în ultimii 20 de ani. Acest “lob vestic” și cel “estic” (din Siberia) sunt cele două mari structuri care “trag” de polul nord magnetic.
• Anomalia aeromagnetică Kursk (Rusia) – este una dintre cele mai puternice din lume, asociată cu concentrații mari de minereu de fier.
• Anomalia Bangui (Africa Centrală) – o anomalie puternică, inexplicabilă, probabil legată de un crater foarte vechi sau de structuri ale mantalei Pământului.
• Anomalia din Australia de Vest – regiune cu magnetism intens datorită cratonului australian, bogat în minerale feromagnetice.
• Anomalii oceanice (benzi magnetice) – în adâncul oceanelor există zone cu polaritate inversată a rocilor bazaltice – dovada inversărilor magnetice trecute.

Anomalii temporare induse de activitatea solară

Anomaliile câmpului magnetic al Pământului, temporare, induse de activitatea solară, pot să dureze de la câteva ore, la câteva zile. Acestea produc distorsiuni în câmpul magnetic, variații bruște ale intensității, curenți induși în sol.

De-a lungul timpului, de exemplu, Furtuna solară Carrington, din 1 -2 septembrie 1859, a rămas în memoria omenirii ca unul dintre “evenimentele naturale formidabile”, rezultat al ejecţiilor de masă plasmatică din Soare, în heliosferă, care s-a “ciocnit” cu magnetosfera, afectând major rețelele telegrafice din întreaga lume (există mărturii despre şocuri electrice resimţite de operatori, despre scântei care ţâşneau din aparatele telegrafice etc.) si care a făcut vizibile aurorele boreale până la tropice.

În luna mai 2024, a avut loc una dintre cele mai lungi furtuni solare (55 de ore) şi a fost cea mai intensă din ultimii 35 de ani.

Pentru că marile furtuni solare se produc, în medie, o dată la o sută de ani (fără a se putea totuşi susţine cu certitudine acest lucru), cercetătorii fac diverse simulări, pentru a putea contracara efectele dezastruoase ale unui asemenea posibil fenomen, mai ales că a trecut peste un secol de la cea mai recentă furtună solară majoră.

Ce efecte ar putea avea, astăzi, anomaliile din câmpul magnetic al Pământului?

În zonele unde câmpul magnetic este slăbit (de exemplu, SAA), scutul geomagnetic oferă mai puțină protecție împotriva particulelor încărcate din vântul solar şi radiațiilor din centura Van Allen (un set de două “inele” de radiații care înconjoară Terra şi sunt reținute de câmpul magnetic al planetei).

Efectele pot fi multiple şi grave – sateliții fiind “bombardați” de mai multe particule energetice, pot prezenta erori de memorie (SEU – Single Event Upsets) în microcipuri, softul poate “sări”, se poate opri sau reseta. Acumularea de încărcătură electrică pe suprafața satelitului poate duce la scurtcircuite, la degradarea componentelor electronice (în special tranzistori sensibili), la afectarea senzorilor optici (pete luminoase sau saturarea detectorilor).

În zona SAA, NASA, ESA (Agenţia Spaţială Europeană) și alți operatori au constatat frecvent că telescoapele spațiale (de exemplu, Hubble) opresc senzorii, sateliții de telecomunicații îşi reduc activitatea, stațiile spațiale intră în mod de protecție.

Dacă expunerea este prea mare sau dacă un satelit este “fragil”, poate suferi defecte de hardware permanente, pierderea sistemului de control şi de comunicare.

Alte consecințe ale anomaliilor câmpului magnetic

Probleme în navigația GPS și aviație – în zone cu anomalie magnetică, semnalul GPS devine mai puțin precis, busolele magnetice deviază, rutele avioanelor pot fi perturbate în timpul furtunilor geomagnetice.

Interferențe în rețelele electrice – în timpul furtunilor solare, se induc curenți în liniile electrice, apar suprasarcini în transformatoare, pot apărea pene de curent pe suprafețe foarte mari (de exemplu, Quebec,1989).

Impact asupra comunicațiilor radio – anomaliile câmpului magnetic afectează ionosfera, care dereglează undele radio pe frecvențe joase și înalte, comunicațiile militare, semnalele aviatice transoceanice sau polare.

Creșterea frecvenței aurorelor – anomaliile și activitatea solară pot face ca aurorele să apară mai des la latitudini joase, pot muta zonele ovale aurorale.

Riscuri pentru astronauți – în zonele unde câmpul este slăbit si nivelul de radiații cosmice crește, sunt necesare măsuri suplimentare de protecție, ISS (Stația Spațială Internațională, un veritabil laborator orbitant la nivel mondial), de pildă, este afectată în mod regulat în zona SAA.

O descoperire recentă

Intr-un articol recent, fizicienii Emily McDougall și Matthew Argall, de la Universitatea New Hampshire, SUA, analizând date de la misiunea Magnetospheric Multiscale (MMS) a NASA, spun că au identificat niște structuri neobișnuite, in “zig-zag”/ “switchbacks magnetice” (“magnetic zig-zag kinks”), în campul magnetic al Pamantului, un fenomen care, până acum, a putut fi observat doar în câmpul magnetic al Soarelui.

In legatură cu apariția lor neasteptată, cei doi fizicieni spun că ar putea fi generate de interacțiunea dintre linii de câmp “deschise” (care vin din vântul solar) și linii “închise” (care se curbează în jurul Pământului), ceea ce poate duce la ruperea și reconectarea liniilor magnetice. Când liniile de câmp se reconectează in acest fel, plasma (particulele încărcate) poate lua o formă de S, generând “kinks” – bucle care seamănă cu un zig-zag.

Este prima dată când astfel de structuri in zig-zag (switchback-uri) – practic o rearanjare energetică a liniilor campului magnetic – sunt observate în magnetosfera Pământului, nu doar în câmpul magnetic solar. Acest fenomen ar putea ajuta la înțelegerea modului cum energia de la granițele magnetice (cum ar fi între Pământ și spațiul interplanetar) se transferă și reconectează si ar putea avea implicații pentru predicțiile in privința furtunilor geomagnetice.

„Zig-zag-urile” (switchbacks) nu par a fi structuri generate de nucleul Pământului (responsabil de diverse alte anomalii), ci, mai degrabă, de dinamica plasmei în regiunea magnetosferică, adică la interacțiunea cu particulele solare și liniile de câmp magnetice exterioare.

A fost observată astfel, in premieră, o inversare magnetică in apropierea Terrei (ruperea si reconectarea liniilor câmpului magnetic), care alimentează perturbațiile din vecinătatea Pământului. Pentru a studia fenomenul, misiunea “Magnetospheric Multiscale” (MMS) coordonează patru sonde spațiale, care zboară in formație.