Biegunowy zawrót głowy, czyli o biegunach znanych i nieznanych

  • Post author:
  • Reading time:19 mins read

Każde dziecko wie, że bieguny to przeciwległe wierzchołki kuli ziemskiej, z których jeden mieści się na samej górze, a drugi – na samym dole. Tyle tylko, że kule, w tym ta ziemska, z definicji nie posiadają wierzchołków, gór, ani dołów, a biegunów mamy w rejonach polarnych co najmniej dziewięć. I jak na złość, każdy z nich znajduje się w innym miejscu. Wygląda więc na to, że obiegową definicję biegunów należałoby nieco dopracować.

BIEGUNY DOMYŚLNE

Jak wiadomo, Ziemia w swojej kosmicznej podróży krąży nie tylko wokół Słońca (ruch obiegowy), ale również, niczym gigantyczny wirujący bączek, wokół własnej osi (ruch obrotowy). Już 3000 lat p.n.e., amatorzy nocnego nieba, wśród których prym wiedli starożytni greccy uczeni, zauważyli, że ruch gwiazd nad ich głowami odbywa się w sposób dalece nieprzypadkowy, bo wokół punktu położonego w okolicy gwiazdozbioru Małej Niedźwiedzicy (Ursa Minor). Z czasem, na podstawie wnikliwych obserwacji i skrupulatnych obliczeń, opracowali oni koncepcję współrzędnych geograficznych, według której naniesione na globus punkty obrotu – czyli punkty, w których oś Ziemi przechodzi przez jej powierzchnię – znajdowały się dokładnie na 90° szerokości geograficznej północnej i południowej, w miejscach styku wszystkich południków. I tak oto w świadomości ludzkiej zawitała pierwsza i jak dotąd najsłynniejsza para biegunów, a mianowicie ziemskie bieguny geograficzne.

Biorąc pod uwagę, że od tego czasu minęły bez mała dwa tysiąclecia, można by przypuszczać, że temat biegunów geograficznych nie kryje już przed naukowcami żadnych tajemnic. A jednak. Pod koniec XIX wieku zauważyli oni bowiem, że kula ziemska nieznacznie się chybocze, zupełnie jakby na osi jej obrotu istniał jakiś luz. I chociaż to uporczywe chybotanie (znane jako chybotanie Chandlera) zaobserwowano na wielu planetach, które – tak jak Ziemia – nie są idealnie kuliste, wciąż nie ma pewności skąd właściwie się bierze i dlaczego nie zanika samoistnie. Wiadomo natomiast, że w efekcie tego zjawiska rzeczywisty (chwilowy) biegun północny Ziemi kreśli w 14-miesięcznych cyklach spirale o średnicy dochodzącej do kilkunastu metrów.

Wszystko wskazuje więc na to, że ziemskie bieguny geograficzne to nie miejsca w klasycznym rozumieniu tego słowa, a jedynie abstrakcyjne konstrukty matematyczne, stworzone na potrzeby kartografii i modelowania naukowego. Nie przeszkodziło im to jednak przez lata utrzymywać się na szczytach list podróżniczych przebojów wśród zimnolubnych poszukiwaczy przygód.

Od około 30 lat, na geograficzny biegun północny regularnie docierają komercyjne ekspedycje. Dodatkową atrakcją dla uczestników tej wyprawy jest środek transportu. Statek 50 лет Победы to jeden z największych lodołamaczy na świecie.
© Christopher Michel (CC BY 2.0)

BIEGUNY NIESFORNE

Ale bieguny geograficzne to nie wszystko. Ci z nas, którzy od czasu do czasu posługują się tradycyjnymi kompasami, korzystają przy tym z zupełnie innych biegunów, bo choć kompasy pomagają nam określić kierunki geograficzne, bieguny, na które wskazują to w rzeczywistości bieguny… magnetyczne. Z różnicy tej po raz pierwszy zdano sobie sprawę pod koniec XI w. w Chinach, co mogło mieć związek z faktem, że to właśnie Chińczycy – jako wynalazcy kompasu magnetycznego – byli jego najbardziej doświadczonymi użytkownikami. A że magnesy przyciągają się na zasadzie przeciwieństw, północny koniec igły kompasu, czyli jej północny biegun, wskazuje na znajdujący się na geograficznej północy magnetyczny biegun… południowy. Na szczęście, środowiska naukowe uznały zgodnie, że stosowanie terminologii fizycznej w geografii wprowadza taki zamęt, że bieguny magnetyczne Ziemi zwykło się określać zgodnie z ich położeniem, a nie właściwościami fizycznymi. Innymi słowy, w dyskusjach o charakterze ogólnogeograficznym (takich jak ta) biegun magnetyczny położony na półkuli północnej nazywa się północnym, a ten na półkuli południowej – południowym. I tego się trzymajmy, a tymczasem spróbujmy zrozumieć czym właściwie są bieguny magnetyczne i gdzie dokładnie się znajdują.

Pole magnetyczne Ziemi, a co za tym idzie – istnienie ziemskich biegunów magnetycznych, to najprawdopodobniej efekt uboczny prądów konwekcyjnych, odpowiadających za przepływ płynnej materii w zewnętrznym jądrze Ziemi. Ponieważ układ tych prądów zależy w dużej mierze od ruchu obrotowego Ziemi, bieguny magnetyczne – czyli punkty, w których linie sił pola magnetycznego Ziemi są prostopadłe do jej powierzchni – znajdują się w pobliżu biegunów geograficznych. Ale tylko z grubsza. I tylko czasami. Od 1831 roku, kiedy położenie północnego bieguna magnetycznego zostało po raz pierwszy precyzyjnie określone przez brytyjskiego badacza rejonów polarnych, Jamesa Clarka Rossa, biegun przewędrował ponad 2000 km. Obecnie znajduje się mniej więcej 450 km na południe od swojego geograficznego imiennika, ale wartość ta wciąż spada, bo biegun magnetyczny sunie w kierunku Syberii z prędkością około 55 km na rok. Ale to nie koniec komplikacji, bo południowy biegun magnetyczny, który na chłopski rozum powinien znajdować się dokładnie po przeciwnej stronie globu, zdaje się mieć w tej kwestii nieco inne zdanie i obecnie leży (a raczej błąka się) około 20 stopni bliżej równika niż magnetyczny biegun północny. Trudno jednak wymagać stabilności i symetrii od pola magnetycznego generowanego przez bulgoczące masy płynnych skał przelewających się w tę i we w tę głęboko we wnętrzu Ziemi.

Warto też zwrócić uwagę, że bieguny magnetyczne, choć z pozoru niesforne, zachowują się obecnie całkiem przyzwoicie, a ich współczesne wędrówki to pestka w porównaniu z tym, do czego są zdolne. Od czasu do czasu idą one bowiem na całość i zamieniają się miejscami. Przebiegunowanie Ziemi, bo tak określa się to zjawisko, zachodzi średnio co ćwierć miliona lat (choć od ostatniego minęło już ponad trzy razy tyle czasu) i wbrew pozorom nie jest wcale gwałtowną przewrotką, a mozolną podróżą trwającą od 1000 do nawet 10 000 lat. Przez cały ten czas ziemskie pole magnetyczne pręży się i wije, słabnie i przybiera na sile, powodując przy tym powstanie gromady konkurencyjnych biegunów magnetycznych na najbardziej niespodziewanych szerokościach geograficznych. I chociaż wszystko wskazuje na to, że proces ten nie ma większego wpływu na organizmy żywe, może poważnie dać się we znaki tym z nich, które na co dzień korzystają ze współczesnych osiągnięć techniki.

BIEGUNY UŚREDNIONE

Ponieważ kapryśny charakter rzeczywistego pola magnetycznego Ziemi to utrapienie dla naukowców, postanowiono sprawdzić co by się stało, gdyby będące w ciągłym ruchu płynne wnętrze Ziemi zastąpić zwykłym (choć odpowiednio dużym) magnesem sztabkowym, podobnym do tych, których używa się podczas szkolnych eksperymentów. I tak, do opisanej powyżej czwórki biegunów dołączyła kolejna para, zlokalizowana w jeszcze innych miejscach. Są to bieguny geomagnetyczne, które – w przeciwieństwie do faktycznych biegunów magnetycznych – są ze sobą skoordynowane i znajdują się dokładnie po przeciwnych stronach globu. Innymi słowy, leżą zawsze na jednakowej szerokości geograficznej, a suma wartości ich długości geograficznych wynosi niezmiennie 180 stopni. Bieguny geomagnetyczne, z których północny znajduje się obecnie na należącej do Kanady Wyspie Ellesmere’a, a południowy – w okolicach rosyjskiej stacji badawczej Vostok na Antarktydzie, stanowią część ogólnego, uśrednionego modelu ziemskiego pola magnetycznego, które odchylone jest o niespełna 10 stopni od osi obrotu Ziemi i rozciąga się daleko w otaczającą nas przestrzeń kosmiczną, gdzie tworzy magnetyczną tarczę ochronną zwaną magnetosferą. Magnetosfera Ziemi chroni atmosferę (a przez to i nas) przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym i wiatrem słonecznym, a przy okazji funduje polarnikom spektakularne widowiska w postaci zórz polarnych. I chociaż zorze można czasami zaobserwować na stosunkowo niskich szerokościach geograficznych, ich częstotliwość i intensywność jest największa w tak zwanych strefach zorzowych, czyli właśnie wokół ziemskich biegunów geomagnetycznych.

Podziwiane z powierzchni Ziemi, zorze polarne zdają się czasem wypełniać całe niebo.
© Roman Popelar (CC BY-NC-SA 2.0)

Zorze widziane z przestrzeni kosmicznej, tworzą wyraźne pierścienie wokół obu ziemskich biegunów geomagnetycznych.
Zdjęcie wykonane przez satelitę NASA (CC0 Domena publiczna)

BIEGUNY USTRONNE

Chociaż żaden z powyższych biegunów nie może poszczycić się dogodną lokalizacją, w roku 1920 Vilhjálmur Stefánsson, który zapisał się na kartach historii jako wytrawny (choć nieco kontrowersyjny) badacz Arktyki, wprowadził do obiegu pojęcie bieguna niedostępności, które – jego zdaniem – miało zwrócić uwagę na fakt, że z praktycznego punktu widzenia geograficzny biegun północny nie był (i wciąż nie jest) najtrudniejszym do osiągniecia per pedes zakątkiem Arktyki. Kryterium maksymalnej niedostępności spełniało dopiero miejsce położone maksymalnie daleko od najbliższej linii brzegowej, która traktowana była jako potencjalny punkt dostępu. Biorąc pod uwagę, że wysoka Arktyka to w dużej mierze skuty lodem ocean, biegun niedostępności musiał znajdować się gdzieś na paku lodowym. Tylko gdzie? Aby go znaleźć, Stefánsson – czerpiąc inspirację z opracowania opublikowanego przez wybitnego rosyjskiego nawigatora polarnego, Admirała Alexandra Kolchaka – kreślił na mapie Oceanu Arktycznego koła w taki sposób, aby ich krawędzie dotykały, ale nie przecinały linii wybrzeża. Północny biegun niedostępności to samo centrum największego z takich kół, prawdziwy środek niczego. Około 100 lat później, bo w drugiej dekadzie XXI wieku, oryginalne współrzędne tego miejsca poddane zostały naukowej weryfikacji, która ujawniła, że powszechnie przyjęta lokalizacja północnego bieguna niedostępności była w rzeczywistości błędna. Błąd wynikał prawdopodobnie z niedostatecznej precyzji dawnych map. Specyfika wykorzystanej w obliczeniach metody uzależnia bowiem poprawność wyniku od dokładności odwzorowania faktycznego przebiegu linii brzegowej, co w przypadku wysokiej Arktyki stanowiło do niedawna spore wyzwanie. Obecnie uznaje się, że północny biegun niedostępności leży na 85°48′N, 176°09′E, ponad 200 km od punktu zaproponowanego przez Stefánssona i – bagatela – 1008 km od najbliższego lądu. Warto podkreślić jednak, że ląd nie oznacza w tym wypadku końca podróżniczych zmartwień, bo chociaż mamy tu do wyboru aż trzy tak samo odległe wybrzeża, wszystkie należą do niegościnnych arktycznych wysp, z których tylko Wyspa Ellesmere’a jest zamieszkała, a i to niezbyt licznie.

Mimo że pierwsi entuzjaści nowego bieguna północnego strzelili byka w obliczeniach, ich założenia dotyczące jego niedostępności okazały się niezwykle trafne. Uznaje się bowiem, że w wyniku trudności z odnalezieniem nie wyróżniającej się niczym lokalizacji na powierzchni dryfującego nieustannie paku lodowego, mając do dyspozycji jedynie tradycyjne przyrządy nawigacyjne, niezbyt dokładne mapy i – co najważniejsze – błędne współrzędne (kiedyś) oraz pogarszających się warunków lodowych na Oceanie Arktycznym (teraz), północny biegun niedostępności pozostaje niezdobyty.

Ze względu na topnienie lodu morskiego na Oceanie Arktycznym, piesze ekspedycje w tym rejonie stają się coraz bardziej ryzykowne.
© Kathryn Hansen, NASA (CC BY 2.0)

A jak się mają sprawy na południu? Chociaż sam Stefánsson nie wykraczał w swoich rozważaniach poza Arktykę, koncepcja bieguna niedostępności została wkrótce zaadoptowana do warunków antarktycznych. I tu jednak nie obyło się bez komplikacji. Jak już wiemy, biegun niedostępności definiowany jest jako miejsce położone maksymalnie daleko od najbliższego wybrzeża. W Arktyce jest to granica lądu, na Antarktydzie – granica oceanu. Tyle tylko, że pojęcie to można interpretować na dwa sposoby: jako rzeczywistą krawędź kontynentu, ukrytą pod grubą warstwą lądolodu (wewnętrzna linia brzegowa), lub jako krawędź otaczającego kontynent szelfu lodowego, która w wyniku wzmożonego cielenia się lodowców ulega obecnie ciągłym, często dramatycznym zmianom (zewnętrzna linia brzegowa). Na Antarktydzie wyznaczono więc dwa południowe bieguny niedostępności – wewnętrzny i zewnętrzny.

Zewnętrzną linię brzegową Antarktydy wyznacza krawędź otaczającego ją szelfu lodowego, która ulega obecnie bardzo dynamicznym zmianom.
© NASA (CC BY 2.0)

Dzięki rozwojowi technologii georadarowej, która pozwala badaczom zajrzeć pod lód Antarktydy, precyzyjne wyznaczenie granic siódmego kontynentu, a co za tym idzie – wewnętrznego południowego bieguna niedostępności, staje się coraz prostsze. Według najnowszych danych opublikowanych w 2021 roku przez zespół naukowców ze Scott Polar Research Institute, British Antarctic Survey i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, znajduje się on na 83°37’S, 53°43’E, w odległości 1180 km od granicy kontynentu i około 75 km od lokalizacji zaproponowanej dekadę wcześniej, przy czym różnica ta jest przypuszczalnie efektem wprowadzonych w międzyczasie udoskonaleń w technice mapowania. Co ciekawe jednak, preferencje dla tej czy innej lokalizacji są często dyktowane nie tyle precyzją, z jaką została ona określona, a okolicznościami. Stąd też, aby uniknąć niepotrzebnego zamieszania w rankingu zdobywców, w kontekście sportowo-wyczynowym za oficjalne położenie wewnętrznego południowego bieguna niedostępności uważa się wciąż 82°06’S, 54°58’E, gdzie na wytrwałych czeka osmagane wiatrem… popiersie Lenina. Jest ono pozostałością powstałej pod koniec 1958 roku (przypuszczalnie w ramach zimnowojennego prężenia muskułów) radzieckiej stacji badawczej, której oryginalna nazwa – Полюс недоступности – oznacza właśnie biegun niedostępności. Mimo że stacja od początku nie stała dokładnie w miejscu wynikającym z obliczeń i funkcjonowała zaledwie kilka tygodni, do dziś traktowana jest jako ucieleśnienie idei maksymalnej niedostępności i mało który poszukiwacz przygód poddaje w wątpliwość jej położenie.

Porzucone pośród antarktycznej pustki popiersie Lenina to obiekt westchnień amatorów mocnych polarnych wrażeń.
© Henry Cookson at English Wikipedia (CC BY-SA 1.0)

Wiele wątpliwości, natomiast, budzi wciąż pozycja zewnętrznego południowego bieguna niedostępności, a proponowane na przestrzeni lat lokalizacje rozrzucone są w promieniu setek kilometrów. Wynika to jednak nie tyle z przekornej natury naukowców, a z bardzo dynamicznych zmian, jakie w dobie postępującej destabilizacji klimatu zachodzą w obrębie szelfu lodowego Antarktydy. Według wspominanej już grupy badaczy, od początków XXI wieku zewnętrzny południowy biegun niedostępności przesuwał się w tempie około 1 km rocznie, osiągając w roku 2019 pozycję 83°54’S, 64°53’E, położoną prawie 1600 km od granicy oceanu. Lecz kiedy wydawało się, że temat można chwilowo uznać za zamknięty, od Antarktydy oderwała się, jak na złość, monstrualna góra lodowa o powierzchni 1600 km2 (D-28), dwa lata później kolejna, prawie trzy razy większa (A-76), a wiosną tego roku rozpadowi uległ szelf lodowy Conger, o powierzchni 1200 km2. Gdzie więc znajduje się dzisiaj zewnętrzny południowy biegun niedostępności, że o jego wędrujących magnetycznych i geograficznych pobratymcach nie wspomnę? Precyzyjną odpowiedź na to pytanie pozwolę sobie pozostawić co bardziej zdeterminowanym – i sprawnym matematycznie – czytelnikom.

Położenie biegunów północnych według najnowszych dostępnych obliczeń.
Mapa opracowana na podstawie danych pakietu Natural Earth. Opracowanie: Adam Nawrot

Położenie biegunów południowych według najnowszych dostępnych obliczeń.
Mapa opracowana na podstawie danych pakietu Quantarctica. Opracowanie: Adam Nawrot

Źródła:

Tekst powstał na potrzeby projektu EDU-ARCTIC.PL, finansowanego ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu DIALOG.

Tagi: , , , , , , , , , ,