נדידת הצפון המגנטי

במשך מאות שנים הסתמכו בני האדם על המצפן לצורכי ניווט. גם כיום, מצפנים משמשים גיבוי למערכות הניווט המתקדמות המצויות בכלי טיס ושיט, שמבוססות על לוויינים וחיישנים. המצפן, מכשיר פשוט המורכב ממחט מתכתית המחוברת לציר, מצביע על הצפון המגנטי בהיעדר הפרעות חיצוניות. הצפון המגנטי נחשב בעבר לבסיס יציב ואמין לניווט, שכן סברו שהוא תמיד מכוון לצפון. עם זאת, בראשית המאה ה-19 גילה המדען הגרמני אלכסנדר פון הומבולדט כי השדה המגנטי של כדור הארץ לא נשאר תמיד בדיוק באותו מקום, אלא נתון לתנודות. בהמשך נמצאו ראיות נוספות שאיששו את ממצאיו, וחיזקו את הבנתנו את השדה המגנטי.

תגלית מפתיעה אף יותר התרחשה באמצע המאה העשרים. המגנטומטר – מכשיר המודד את כיוון ועוצמת השדה המגנטי, שפותח על ידי צבא ארצות הברית לאיתור צוללות אויב במלחמת העולם השנייה – הקליט שיבושים בלתי צפויים בכיוון המגנטי באזורים מסוימים באוקיינוס. ממצאים אלו הובילו להבנה שהמינרלים המרכיבים את סלעי הבזלת בקרקעית האוקיינוסים נושאים את חתימת השדה המגנטי שהיה קיים בזמן היווצרם, לפני מיליוני שנים. התברר כי  השדה המגנטי עבר מספר היפוכים – ובתקופות מסוימות הוא הצביע דרומה.

למרות ההתקדמות העצומה בפיתוח מערכות ניווט, השדה המגנטי חשוב גם כיום למכשירי ניווט רבים, כך שמעקב אחרי תנודות השדה חשוב במיוחד. גם אם התנודות לא מובילות להיפוך מלא אלא לשינויים קטנים יותר במיקום הצפון המגנטי, הן עלולות להשפיע על מערכות ניווט ואלקטרוניקה מתקדמות. לפיכך דואגים המכונים הגיאולוגיים של בריטניה ושל ארצות הברית לפרסם אחת לחמש שנים מודל מעודכן של השדה המגנטי הנוכחי של כדור הארץ.

ליבת כדור הארץ מייצרת שדה מגנטי

שאלת מקור השדה המגנטי של כדור הארץ הטרידה חוקרים במשך מאות שנים. היום אנו יודעים שהוא תוצאה של תהליכים פנימיים, המתרחשים עמוק בליבת כדור הארץ, כאשר זרמים של מתכות נוזליות בתוך הגלעין החיצוני מייצרים שדה חשמלי. שדה מגנטי נוצר כאשר קיים זרם חשמלי, והתופעה הפיזיקלית הזו מתרחשת גם בסדרי גודל קטנים, למשל סביב חוטי חשמל. אם כך, השינויים המתרחשים בזרמי המתכת מכתיבים את השינויים שיימדדו בשדה המגנטי מעל פני האדמה. מודלים שמדמים את זרימת המתכות הנוזליות בליבה החיצונית של כדור הארץ מצליחים להמחיש את המנגנון שמאחורי היווצרות השדה המגנטי: סיבוב כדור הארץ, בשילוב התנועה של זרמי המתכת, גורמים לשדה המגנטי להסתדר בצורה ייחודית, של מעין שתי אוזניים שנקראות אונות (ראו בתמונה למעלה) המקיפות את כדור הארץ. אפשר למפות את צורת השדה באמצעות חיבור בקווים של הנקודות שבהן עוצמת השדה שווה, שנקראות קונטורים או קווים שווי שדה – כפי שנראה בתמונה למטה.

לפני כשני עשורים הבחינו חוקרים שהצפון המגנטי של כדור הארץ נודד בקצב מהיר יחסית, ממקומו באזור קנדה לעבר סיביר. מחקר שפורסם לפני כחמש שנים ב-Nature Geosciences, בהובלת פיליפ ו’ ליברמור מאוניברסיטת לידס, מציע הסבר לתופעה: בין שני אזורים בליבת המתכת הנוזלית של כדור הארץ – האחד מתחת לקנדה והשני מתחת לסיביר – מתקיים “מאבק כוחות”, שמכתיב את תנועת הצפון המגנטי. באמצעות שילוב של מודלים מתקדמים ונתוני מדידות מדויקים, הצליחו החוקרים להדגים את התהליכים הדינמיים והמורכבים המתרחשים בעומק כדור הארץ, ולהסביר מדוע נודד הצפון המגנטי דווקא לכיוון סיביר.

באזור הקוטב הצפוני קיימים שני קונטורים עיקריים המציינים את הערכים המקסימליים של השדה, והצפון המגנטי ממוקם בערך ביניהם. בשנים 2019-1999 חל שינוי משמעותי בעוצמת השדה: הקונטור שמעל סיביר התחזק מעט, ואילו הקונטור שמעל קנדה נחלש מאוד. השינויים גרמו לנדידת הצפון המגנטי לכיוון סיביר. מגמה בכיוון הזה זוהתה כבר מאז תחילת המדידות במאה ה-16, אולם בשני העשורים האחרונים חלה האצה משמעותית בקצב הנדידה, שהגיע לערכים מהירים פי חמישה מבעבר. קבוצת המחקר בראשות ליברמור רצתה להתחקות אחר הגורמים לשינויים אלו.

באמצעות סימולציות המבוססות על מודלים של השדה המגנטי של כדור הארץ, נבחנה השפעתן של שתי אונות השטף המגנטי על הגבול בין הליבה למעטפת של כדור הארץ, מתחת לסיביר ולקנדה. לפי סימולציות שנערכו במחקר, האונות מכתיבות את מיקומי הקטבים המגנטיים באזורים האלה.

בין השנים 1999-1970 התגלה כי היחלשות השדה המגנטי באזור הקנדי נגרמה משינויים בתבניות הזרימה בליבה שמתרחשים תחתיו, והם הובילו להתארכות האונה הקנדית, כפי שמראה הקונטור הנמדד מעליה. במקביל, האונה הסיבירית נותרה יציבה ואף התחזקה מעט, מה שגרם למשיכה גוברת של הצפון המגנטי לכיוון סיביר. לפי המודלים המגמה צפויה להימשך בעשור הקרוב, והצפון המגנטי ינדוד עוד 660-390 קילומטרים לכיוון סיביר.

בחג המולד האחרון פרסמו המכונים הגיאולוגיים בבריטניה ובארצות הברית את המודל הנוכחי והמעודכן של מצב השדה המגנטי של כדור הארץ. המודל אכן מראה שהשדה צפוי להמשיך לנדוד, כפי שהוצג במאמר – עדות לתהליך המתרחש במעמקים. בהודעה משותפת ברשת איקס (טוויטר) הם אף סיפקו מידע חשוב במיוחד: העדכון של המודל מספק לסנטה קלאוס שדרוג משמעותי למערכות הניווט שלו, ובכך מבטיח משלוח מתנות מדויק מאי פעם.