چرا زمین دارای قطب‌های مغناطیسی است؟

زمین به دلایل مختلف، سیاره‌ای منحصربه‌فرد در منظومه‌ی شمسی است. در درجه‌ی اول، زمین تنها سیاره با جو اکسیژنی قابل‌تنفس است، علاوه بر این با آب مایع پوشیده شده است و تنها جرم میزبان حیاتی است که می‌شناسیم. یکی از ویژگی‌هایی که اغلب نادیده می‌گیریم و سیاره‌مان را خاص می‌کند، قطب‌های مغناطیسی قوی آن است. برای مثال ممکن است قطب‌نمای شما در مریخ بی‌استفاده شود؛ اما قطب‌های مغناطیسی از کجا می‌آیند و دقیقا چه می‌کنند؟ برای پاسخ به این پرسش لازم سفر خود را از مرکز زمین آغاز کنیم.

هسته‌ی زمین به دو لایه تقسیم شده است: هسته‌ی جامد داخلی و هسته‌ی مذاب فلزی خارجی. هر دو لایه مخلوطی از آهن مغناطیسی و نیکل با ردپاهای اندکی از عناصر دیگری مثل اکسیژن، سیلیکون و گوگرد هستند.

هسته‌ی داخلی مانند مرمری درخشان، نسبتا چگال و داغ است؛ اما هسته‌ی خارجی مایع است و با جریان همرفتی خود دورتادور این جرم جامد می‌چرخد. همین همرفتی ثابت باعث ایجاد میدان مغناطیسی زمین می‌شود.

گرمای ناشی از هسته‌ی داخلی به‌صورت پیوسته به هسته‌ی خارجی می‌رسد و با موادی که بر اثر فعالیت تکتونیکی صفحه‌ای سرد شده‌اند، برخورد می‌کند. این چرخه باعث ایجاد همرفت شده و فرآیندی موسوم به ژئودینامو را افزایش می‌دهد که باعث تولید میدان مغناطیسی می‌شود.

سیاره‌های دیگر مثل مریخ و زهره تا حدی به دلیل نبود تکتونیک‌های صفحه‌ای، فاقد میدان‌های مغناطیسی هستند. بر اساس شواهد موجود این سیاره‌ها احتمالا زمانی ژئودیناموهای خودپایدار داشتند، اما به دلایلی نامشخص آن را از دست دادند. عطارد دارای میدان مغناطیسی ضعیفی است که قدرت آن به ۱٫۱ درصد میدان مغناطیسی زمین می‌رسد و سپر محافظتی مناسبی در برابر پرتوهای خورشیدی فراهم نمی‌کند.

با جریان فلز مایع در هسته‌ی خارجی زمین، حرکت و محتوای بالای آهنی آن باعث می‌شوند زمین مانند آهنربای دوقطبی عظیمی عمل کند که دارای یک قطب باردار منفی و قطبی با بار مثبت است. تقریبا ۸۰ درصد از میدان مغناطیسی زمین به این روش شکل می‌گیرد اما ۲۰ درصد باقی‌مانده‌ی آن دوقطبی نیست؛ بلکه شامل نوارهای موازی نیروی مغناطیسی است. در برخی مناطق این میدان مغناطیسی مانند الگوهای آب و هوایی عمل می‌کند.

به گفته‌ی جاشوا فینبرگ، زمین‌شناس دانشگاه مینسوتا، مغناطیس‌کره مانند پوششی محافظتی ضد‌آفتاب به جلوگیری از برخورد پرتوهای خطرناک خورشیدی به زمین کمک می‌کند. در نقاطی که مغناطیس‌کره ضعیف است، مقدار بیشتری از پرتوها به زمین نفوذ می‌کنند و بنابراین آمار سرطان پوست را بالا می‌برند.

نگرانی دیگر، تأثیر پرتوهای خورشیدی بر ماهواره‌ها است. انفجار تابش‌ها از خورشید که خروج جرم از تاج خورشیدی هم نامیده می‌شود، می‌تواند ماهواره‌ها و دیگر فضاپیماها را ازکار بیندازد و پیامد‌های مخربی برای ارتباطات از راه دور، دسترسی به اینترنت و خدمات GPS در مناطق تحت تأثیر داشته باشد.

ناهنجاری اطلس جنوبی احتمالا ۱۱ میلیون سال قدمت دارد و با پدیده‌ی مغناطیسی دیگری موسوم به وارونگی قطبی مرتبط است. تاریخچه‌ی میدان مغناطیسی زمین را می‌توان در گدازه‌های کهن و رسوب‌های بستر دریا جستجو کرد. این نوع مواد سنگی، غنی از قطعات فلزی مغناطیسی مثل تکه‌های کوچک آهن هستند که دور خود حول خطوط میدان مغناطیسی می‌چرخند.

دانشمندان براساس سوابق رسوبی می‌دانند که قطب‌های مغناطیسی سیاره‌ی ما دطول زمان جابه‌جا می‌شوند. در حال حاضر قطب شمال جغرافیایی با قطب مغناطیسی معادل خود (که درحال‌حاضر از فنی جنوب مغناطیسی است) تقریبا ۵۰۰ کیلومتر فاصله دارد. به‌نقل از ناسا، قطب‌ها تقریبا هر ۳۰۰ هزار سال به‌طور ناگهانی می‌چرخند و شمال و جنوب مغناطیسی را وارونه می‌کنند.

با این‌حال سوابق دیرینه‌ی ژئومغناطیسی نشان می‌دهد که تقریبا ۷۸۰ هزار سال است که وارونگی قطبی کامل اتفاق نیافته است. به باور برخی پژوهشگران، این موضوع بدین است که در آستانه‌ی چرخش قرار داریم و قدرت ناهنجاری اطلس جنوبی می‌تواند نشانگر نزدیک‌بودن وارونگی بعدی باشد.

اگر قطب‌ها قرار باشد وارونه شوند، میدان مغناطیسی زمین احتمالا برای قرن‌ها با کاهش قدرت ۲۰ درصدی مواجه خواهد بود. چنین رویدادی می‌تواند سیستم‌های ارتباطات جهانی کنونی را مختل کند. بااین‌حال براساس پژوهش‌های دیگر این وارونگی قریب‌الوقوع نیست.

به‌هرحال بررسی فضای داخلی سیاره و سوابق دیرینه‌ی ژئومغناطیسی به درک تعامل پیچیده‌ی بین مغناطیس‌کره و حیات روی زمین کمک می‌کنند و همچنین باعث می‌شوند آمادگی بهتری برای تغییرات آینده پیدا کنیم.