Почему магнитное поле Земли переворачивается?

Вопрос

Стрелка компаса указывает на север, потому что Земля — огромный магнит. Её поле рождается глубоко внутри планеты, в жидком железе внешнего ядра, где бурлящий металл работает как динамо-машина.

В 1906 году французский физик Бернар Брюн нашёл вулканические породы, намагниченные «неправильно» — так, будто компас указывал на юг, когда они остывали. В 1929 году Мотонори Матуяма в Японии показал, что такие обращённые породы систематически старше. Вывод был поразительным: магнитное поле планеты время от времени переворачивается. Это случалось сотни раз. Почему так происходит и почему так нерегулярно, до сих пор непонятно.

Что известно

Перевороты реальны и глобальны. Когда лава остывает или оседает осадок, их магнитные минералы записывают направление поля. Датированные слои по всему миру показывают одну и ту же последовательность прямых и обратных периодов.
Они доказали тектонику плит. В 1963 году Фред Вайн и Драммонд Мэтьюз объяснили полосатый магнитный узор океанского дна: новая кора образуется на срединно-океанических хребтах и записывает поле, расползаясь в стороны, так что перевороты отпечатываются по обе стороны, как на магнитофонной ленте. Это стало одним из решающих доводов в пользу движения плит.
Перевороты нерегулярны. Некоторые периоды без переворотов длились лишь десятки тысяч лет. Один, меловой суперхрон нормальной полярности, продолжался около 38 миллионов лет — примерно от 121 до 83 миллионов лет назад. Последний полный переворот произошёл около 773 тысяч лет назад.
Переворот не мгновенен. Во время перехода поле сильно слабеет и усложняется, появляется несколько полюсов. Оценки длительности перехода — от нескольких тысяч лет до столетий, в зависимости от летописи.
Бывают и «экскурсы»: поле далеко отклоняется от обычного направления, а потом возвращается, не перевернувшись. Самый известный, экскурс Лашамп, случился около 41 тысячи лет назад.
В 1995 году Гэри Глатцмайер и Пол Робертс создали первую компьютерную модель ядра, в которой поле перевернулось само, без какого-либо внешнего толчка. Перевороты оказались естественным поведением динамо.
С начала систематических измерений в XIX веке поле ослабло примерно на 10%, а над Южной Атлантикой лежит область особенно слабого поля.

Основные гипотезы

Хаотическая внутренняя динамика

Течение в ядре турбулентно. Переворот может быть случайным событием, как переход хаотической системы между двумя устойчивыми состояниями. Это объяснило бы нерегулярность, но означало бы и то, что точно предсказать перевороты невозможно.

Управление со стороны мантии

Скорость отвода тепла от ядра зависит от мантии над ним, которая медленно меняется по мере того, как тонут плиты и поднимаются плюмы. Изменения этого теплового потока могли бы делать перевороты чаще или реже и объяснить долгие суперхроны. Так перевороты связываются с тектоникой плит.

Спусковые крючки

Некоторые исследователи предлагали внешние причины, например крупные удары астероидов или резкие изменения в мантии. Убедительных доказательств нет, а модели показывают, что никакой спусковой крючок не нужен.

Где заканчивается понимание

Мы знаем, что геодинамо может переворачиваться само, и модели воспроизводят перевороты. Но модели работают в условиях, далёких от реального ядра: настоящее жидкое железо гораздо менее вязкое, а течение гораздо турбулентнее, чем способен смоделировать любой компьютер. Происходят ли смоделированные перевороты по тем же причинам, что и настоящие, неизвестно.

Летопись тоже несовершенна. Породы фиксируют поле лишь в отдельные моменты, часто усреднённо за тысячи лет, и детали перехода читаются с трудом. Поэтому мы мало знаем о том, что именно происходит во время переворота и как быстро.

И предсказать следующий переворот нельзя. Нынешнее ослабление иногда подают как признак его начала, но поле много раз слабело и восстанавливалось, не переворачиваясь. Большинство исследователей считают переворот в ближайшие столетия маловероятным, но исключить его не могут. Спорны и его последствия для спутников, энергосетей и живых организмов: предполагаемая связь экскурса Лашамп с изменениями среды около его начала, 42 тысячи лет назад, остаётся дискуссионной.

Что могло бы дать ответ

Модели, гораздо ближе подходящие к реальным условиям ядра и показывающие, какие процессы управляют временем переворотов.
Более непрерывная и лучше датированная летопись прошлых переворотов и экскурсов, особенно подробные записи самих переходов.
Более точные измерения нынешнего поля и глубокой мантии, которые покажут, влияет ли граница ядра и мантии на поле и как.