میدان مغناطیسی زمین که توسط چرخش هسته زمین ایجاد شده است برای زندگی روزمره انسان‌ها مهم است: سیاره را در برابر ذرات خورشیدی محافظت می کند، زمینه ای را برای ناوبری فراهم می کند و ممکن است نقش مهمی در تکامل حیات روی زمین داشته باشد. اما اگر میدان مغناطیسی زمین فردا ناپدید شود چه اتفاقی می افتد؟ تعداد بیشتری از ذرات باردار خورشیدی سیاره را بمباران می‌کنند و شبکه‌های برق و ماهواره‌ها را در فریتز قرار می‌دهند و قرار گرفتن انسان در معرض سطوح بالاتری از تشعشعات فرابنفش سرطان‌زا را افزایش می‌دهند. به عبارت دیگر، یک میدان مغناطیسی از دست رفته پیامدهایی خواهد داشت که حداقل در کوتاه مدت مشکل ساز خواهد بود، اما لزوما آخرالزمانی نیست.
و این خبر خوبی است، زیرا میدان مغناطیسی زمین بیش از یک قرن است که در حال ضعیف شدن است. حتی در حال حاضر، نقاط ضعیفی مانند ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی در نیمکره جنوبی وجود دارد که مشکلات فنی را برای ماهواره های مدار پایین ایجاد می کند.
اولین چیزی که در مورد میدان مغناطیسی باید فهمید این است که، حتی اگر ضعیف شود، ناپدید نخواهد شد – حداقل برای میلیاردها سال. زمین میدان مغناطیسی خود را مدیون هسته بیرونی مذاب خود است که بیشتر از آهن و نیکل ساخته شده است. جان تاردونو، ژئوفیزیکدان از دانشگاه روچستر، گفت که هسته بیرونی در حال چرخش با همرفت گرمای آزاد شده با رشد و جامد شدن هسته داخلی نیرو می گیرد. (هسته داخلی حدود یک میلی متر در سال رشد می کند.)
این موتور میدان مغناطیسی که به عنوان دینام شناخته می شود، میلیاردها سال است که در حال حرکت بوده است. با توجه به تحقیقات سال 2015 که نشان می دهد جهشی در قدرت میدان مغناطیسی در آن زمان، دانشمندان فکر می کنند که آرایش هسته فعلی ممکن است حدود 1.5 میلیارد سال پیش مستقر شده باشد. اما تاردونو و تیمش شواهدی مبنی بر وجود میدان مغناطیسی روی زمین در قدیمی‌ترین کانی‌های این سیاره، زیرکون‌ها، با قدمت 4.2 میلیارد سال پیدا کرده‌اند که نشان می‌دهد فعالیت در هسته برای مدت بسیار طولانی باعث ایجاد میدان مغناطیسی شده است.
تاردونو به لایو ساینس گفت، مشخص نیست که چرا این دینام آغاز به کار کرد، اگرچه ممکن است برخورد سیاره‌ای عظیمی که ماه را ایجاد کرد، محرک اصلی بوده باشد. این برخورد، که شاید 100 میلیون سال پس از گرد هم آمدن زمین رخ داد، می‌توانست هرگونه لایه‌بندی یا لایه‌بندی مواد در هسته زمین را تکان دهد: تصور کنید که یک بطری نفت و آب را در مقیاس سیاره‌ای تکان دهید. این اختلال می توانست همرفتی را که هنوز هم دینام زمین را به حرکت در می آورد، ارتقا دهد.
در نهایت، هسته داخلی احتمالا به اندازه ای بزرگ می شود که همرفت در هسته خارجی دیگر کارآمد نیست و میدان مغناطیسی از کار می افتد. اما این سناریو آنقدر دور است که ارزش آن را ندارد که خواب زیادی را از دست بدهید. تاردونو گفت: «ما در مورد میلیاردها سال صحبت می کنیم.
تضعیف میدان مغناطیسی
میدان مغناطیسی در حال ضعیف شدن است. دانشمندان در 160 سال گذشته این ضعف را مستقیماً با رصدخانه ها و ماهواره های مغناطیسی اندازه گیری کرده اند. این که آیا میدان قبل از آن دچار تزلزل بود یا نه، همانطور که در آینده انجام خواهد داد کمی مبهم‌تر است. تاردونو گفت که میدان مغناطیسی در حال حاضر حدود 80 درصد دو قطبی است. این بدان معناست که بیشتر مانند یک آهنربای میله ای عمل می کند. اگر می‌توانستید براده‌های آهن را در اطراف سیاره قرار دهید (و تأثیر خورشید را که جریان ثابتی از ذرات باردار به نام باد خورشیدی را به سمت زمین پرتاب می‌کند و میدان مغناطیسی را مانند موهای بلند در نسیم به اطراف می‌وزاند) حذف کنید، میدان مغناطیسی حاصل می‌شود. اما 20 درصد میدان غیر دو قطبی است، به این معنی که پیچیده تر است.
در گذشته، میدان مغناطیسی تغییر کرده و شمال و جنوب را عوض کرده است. آخرین مورد از این واژگونی ها 780000 سال پیش و در حدود دوران هومو ارکتوس اتفاق افتاد. تاردونو و تیمش دریافته‌اند که یک گرداب عجیب در مرکز آفریقای جنوبی ممکن است به برخی از این ضعف کمک کند. به نظر می رسد که این گرداب باعث ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی می شود، یک نقطه ضعیف شناخته شده در میدان که از حدود 190 مایل (300 کیلومتر) شرق برزیل در سراسر آمریکای جنوبی امتداد دارد. در این ناحیه، ذرات باردار باد خورشیدی نزدیک‌تر از حد معمول به زمین فرو می‌روند. ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی به خصوص روی زمین قابل توجه نیست. اما ماهواره‌های مدار زمین در آنجا با ذرات خورشیدی آسیب‌رسان بیشتری مواجه می‌شوند و فضانوردانی که در ایستگاه فضایی بین‌المللی در این منطقه سفر کرده‌اند، پدیده‌های بصری را گزارش کرده‌اند که تصور می‌شود ناشی از سطوح نسبتاً بالایی از تشعشعات در سطح مدار پایین زمین است.
زمینی بدون میدان مغناطیسی
تاردونو و تیمش گمان می‌کنند که تغییر در گوشته زیر آفریقای جنوبی ممکن است در گذشته نقطه آغازینی برای وارونگی میدان مغناطیسی بوده باشد. خبر خوب این است که، حتی اگر میدان در حال ضعیف شدن باشد، یا برای تلنگر آماده شود، از بین نخواهد رفت. هیچ مدرکی مبنی بر اینکه میدان مغناطیسی در طول یک معکوس به طور کامل از بین رفته است وجود ندارد.
تاردونو می‌گوید حتی اگر میدان معکوس شود، “ما همچنان مقداری میدان مغناطیسی در حال حاضر خواهیم داشت؛ این میدان مغناطیسی بسیار ضعیفی خواهد بود.”
نورهای شمالی و جنوبی از عرض های جغرافیایی پایین تر قابل مشاهده هستند، زیرا این نمایش های رنگارنگ نتیجه برهم کنش بین ذرات باردار پرتاب شده از خورشید در باد خورشیدی و مگنتوسفر زمین است. در حال حاضر، این شفق‌ها در نزدیکی قطب‌ها ظاهر می‌شوند و از خطوط میدان مغناطیسی عمدتاً شمال-جنوب زمین پیروی می‌کنند، اما میدان ضعیف‌تر به ذرات اجازه می‌دهد تا در جو زمین نفوذ کنند و آسمان را نزدیک‌تر به استوا روشن کنند.
شرایط ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی برای ماهواره ها ممکن است در سراسر جهان رایج شود، که باعث اشکالات فنی می شود. ذرات خورشیدی می توانند قطعات الکترونیکی را پینگ کنند و بخش هایی از حافظه را در مواردی که ناراحتی های تک رویدادی یا SEU نامیده می شوند، مختل کنند. هنگامی که ذرات خورشیدی با لایه باردار جو زمین به نام یونوسفر برهم کنش می کنند، الکترون ها را نیز از مدارهای مولکولی خود جدا می کنند. این الکترون‌های آزاد سپس در انتقال امواج رادیویی با فرکانس بالا که برای ارتباط استفاده می‌شوند تداخل می‌کنند.
تاردونو گفت که فعل و انفعالات بین باد خورشیدی و جو زمین نیز می تواند در طول زمان لایه اوزون را از بین ببرد، که باعث افزایش قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش جمعی بشر و افزایش خطر ابتلا به سرطان پوست می شود.
مارتین آرچر، فیزیکدان پلاسما فضایی در دانشگاه کوئین مری لندن، گفت: «در حالی که احتمالاً برای زندگی کاملاً فاجعه‌بار نخواهد بود، اما دوز تابش بسیار بالاتری بر روی زمین بدون میدان مغناطیسی وجود خواهد داشت.
شواهد کمی وجود دارد که نشان دهد تغییرات میدان مغناطیسی گذشته بر حیات روی زمین تأثیر گذاشته است. آرچر به لایو ساینس گفت، با این حال، میدان مغناطیسی بدون شک سطح زمین را شکل داده است و به جلوگیری از وزش جو شکننده سیاره توسط نیروی بی امان باد خورشیدی به فضا کمک می کند.
میدان مغناطیسی برای داشتن اتمسفر بسیار مهم نیست – زهره میدان مغناطیسی ندارد و دارای جوی عظیم، اگر ناخوشایند باشد – اما مطمئناً به عنوان یک لایه محافظ اضافی عمل می کند. مریخ که قبلا میدان مغناطیسی داشت اما حدود 4 میلیارد سال پیش آن را از دست داد، جو آن تقریباً به طور کامل از بین رفته است. آرچر گفت و اگر راهی برای ایجاد جوی شبیه زمین به ماه وجود داشت، باد خورشیدی آن را تا یک قرن دیگر کم می‌کرد.
