Происхождение магнитного поля Земли и его особенности
© pixabay.com
Магнитное поле Земли играет важнейшую роль в становлении и развитии биосферы, а также защищает воздушную оболочку от воздействия солнечного ветра и жёсткого космического излучения.
В условиях отсутствия магнитного поля трудно себе представить полноценное существование нас с вами и других живых существ на поверхности планеты, даже несмотря на то, что Земля находится в так называемой, зоне обитаемости, где вероятность зарождения жизни наиболее высокая. Однако, механизм возникновения и стабильного поддержания магнитного поля длительное время оставался до конца не изученным и даже сейчас не удаётся с полной точностью воссоздать компьютерную модель его генерации. Но благодаря сейсмометрии, а также некоторым другим передовым методам геофизических исследований, общая картина у нас всё же имеется на этот счёт. Известно, что оно возникает глубоко в недрах планеты – во внешнем жидком ядре за счёт сложных физических механизмов. Поэтому давайте более детально разберём суть этого процесса.
Наиболее общепринятой среди учёных является теория магнитного гидродинамо (или геодинамо). Она хорошо согласуется со многими наблюдательными эффектами и применима не только к Земле, но и к некоторым другим планетам Солнечной системы (например, Марсу и Урану), а также объясняет отсутствие такого поля у Венеры или Луны. Этот механизм описывает не только процесс генерации магнитного поля, но также и его дальнейшее поддержание на протяжении длительного периода времени. Для работы такого механизма требуется три важных условия:
- Наличие очень слабого первичного магнитного поля;
- Перемещение вещества (конвекция) во внешнем ядре, обладающим свойствами проводящей жидкости;
- Вращение Земли.
Читайте также
Первичное магнитное поле может возникнуть само непосредственно от вращения Земли, либо под влиянием магнитосферы Солнца, а также окружающего нас космического пространства. В любом случае, его интенсивность будет равна не более чем 10-10 от имеющегося магнитного поля, напряжённость которого на поверхности составляет около 0,5 Гаусса и существенно зависит от географического положения. Это первичное поле послужило своеобразной «затравкой» для возникновения основного магнитного поля планеты.
Когда в геологической истории Земли началось выделение ядра за счёт процессов гравитационной дифференциации вещества (то есть распределении его по плотности), то сразу же заработал эффект динамо и планета обрела полноценное магнитное поле. Произошло это примерно 4,0 – 4,2 млрд. лет назад (возраст самой планеты оценивается в 4,65 млрд. лет). Тогда внешняя часть ядра в результате падения давления оказалась в жидком состоянии. В состав ядра главным образом входит железо, никель и сера, поэтому в расплавленном вязком состоянии оно должно хорошо проводить электрический ток. Этот вязкий расплав постоянно находится в движении из-за вращения планеты и конвективных течений, обусловленных градиентом температуры. В свою очередь, такие механизмы как распад радиоактивных элементов, приливные силы из-за влияния Луны и Солнца, а также высвобождение гравитационной энергии посредством опускания к центру планеты тяжёлых химических элементов и подъёму более лёгких обуславливает в комплексе поддержание достаточно высокой температуры, которая даже при огромном давлении вышележащих слоёв мантии позволяет внешнему ядру оставаться в жидком состоянии в течение миллиардов лет.
По итогу, в расплавленном ядре конвекция перемешивает вещество, а вращение Земли приводит к возникновению силы Кориолиса, которая закручивает эти конвективные потоки в своеобразные столбы, называемые колоннами Тейлора, ориентированных вдоль оси вращения планеты (см. рисунок). Данный процесс движения и перемешивания расплавленного железа приводит к возникновению разности потенциалов и появлению вихревых электрических токов. Эти токи, в свою очередь, индуцируют магнитное поле в виде диполя, которое окружает Землю. Описанный процесс называется самовозбуждающимся динамо и работает он до тех пор, пока наблюдается вращение планеты и токопроводящий вязкий слой внутри неё. При этом, такая система получает «подпитку» слабым первичным магнитным полем, наводящимся к примеру, от Солнца.
Интенсивность магнитного поля вблизи ядра более чем в 25 раз выше, чем на поверхности планеты, а ось магнитного диполя не совпадает с осью вращения и время от времени происходит переполюсовка (инверсия) – смена южного полюса на северный и наоборот. Кроме того, магнитные полюса находятся в постоянном хаотическом движении. Это всё укладывается в концепцию динамо-эффекта. В данный момент северный магнитный полюс планеты постепенно мигрирует по направлению к Сибири, хотя ещё в позапрошлом столетии фиксировался над северной частью Канады.
Несмотря на то, что физико-химические условия во внешнем ядре достаточно стабильны, оно всё же постепенно остывает и становится тоньше. По современным оценкам, рост внутреннего твёрдого ядра за счёт кристаллизации внешнего происходит со скоростью примерно 1 мм в год. Если принять во внимание среднюю толщину внешнего ядра порядка 2250 км, то получается, что примерно через 2,2 млрд. лет оно полностью затвердеет, а вместе с ним исчезнет и магнитное поле. Естественно, определённая остаточная намагниченность ещё какое-то время будет наблюдаться, однако его интенсивность окажется уже не сопоставимой с современной. Но переживать нам из-за этого не нужно, ведь жизнь на Земле станет невозможной гораздо раньше – уже примерно через 1 млрд. лет за счёт увеличения светимости Солнца и разогрева поверхности планеты до температуры более 100 °С.
