Походження магнітного поля Землі та його особливості
© pixabay.com
Магнітне поле Землі відіграє важливу роль у формуванні та розвитку біосфери, а також захищає повітряну оболонку від впливу сонячного вітру та жорсткого космічного випромінювання.
В умовах відсутності магнітного поля важко собі уявити повноцінне існування нас з вами та інших живих істот на поверхні планети, навіть незважаючи на те, що Земля знаходиться в так званій «зеленій зоні», де найбільш сприятливі умови для виникнення життя. Втім, механізм генерації та стабільної підтримки магнітного поля тривалий час залишався до кінця не вивченим і навіть зараз не вдається з повною точністю відтворити його комп'ютерну модель. Але завдяки сейсмометрії, а також деяким іншим передовим методам геофізичних досліджень, загальне уявлення все ж таки є. Відомо, що магнітне поле виникає глибоко в надрах планети – у зовнішньому рідкому ядрі внаслідок складних фізичних механізмів. Тому давайте детальніше розберемо суть цього процесу.
Найбільш загальноприйнятою серед вчених є теорія магнітного гідродинамо (або геодинамо). Вона добре узгоджується з багатьма спостережними ефектами і застосовується не тільки до Землі, але й до деяких інших планет Сонячної системи (наприклад, Марсу та Урану), а також пояснює відсутність такого поля у Венери або Місяця. Цей механізм описує як процес генерації магнітного поля, так і його подальшу підтримку протягом тривалого часу. Для роботи такого механізму потрібні три важливі умови:
- Наявність дуже слабкого первинного магнітного поля;
- Переміщення речовини (конвекція) у зовнішньому ядрі, що має властивості електропровідної рідини;
- Обертання Землі навколо своєї осі.
Також читайте
Первинне магнітне поле може виникнути саме безпосередньо від обертання Землі, або під впливом магнітосфери Сонця, а також навколишнього космічного простору. У будь-якому разі, його інтенсивність дорівнюватиме не більше ніж 10-10 від наявного магнітного поля, напруженість якого на поверхні становить близько 0,5 Гауса та істотно залежить від географічного положення. Це первинне поле стало своєрідною «затравкою» для виникнення основного магнітного поля планети.
Коли в геологічній історії Землі почалося виділення ядра за рахунок процесів гравітаційної диференціації речовини (тобто розподілу його за щільністю), то відразу ж запрацював ефект динамо і планета набула повноцінного магнітного поля. Сталося це приблизно 4,0 - 4,2 млрд. років тому (вік самої планети оцінюється у 4,65 млрд років). Тоді зовнішня частина ядра внаслідок падіння тиску опинилася у рідкому стані. До складу ядра головним чином входить залізо, нікель та сірка, тому у в'язкому розплавленому стані воно повинно добре проводити електричний струм. Цей в'язкий розплав постійно рухається внаслідок обертання планети і утворення конвективних течій, зумовлених градієнтом температури. У свою чергу, такі механізми як розпад радіоактивних елементів, приливні сили через вплив Місяця та Сонця, а також вивільнення гравітаційної енергії внаслідок опускання до центру планети важких хімічних елементів і підйому більш легких зумовлює в комплексі підтримання досить високої температури, яка навіть при величезному тиску забезпечує рідкий стан протягом мільярдів років.
З рештою, у розплавленому ядрі конвекція перемішує речовину, а обертання Землі призводить до виникнення сили Коріоліса, яка закручує ці конвективні потоки у своєрідні стовпи, які називають колонами Тейлора, орієнтованих уздовж осі обертання планети (див. рисунок). Даний процес руху та перемішування розплавленого заліза призводить до виникнення різниці потенціалів та появи вихорових електричних струмів. Ці струми, у свою чергу, індукують магнітне полі у вигляді диполя, яке оточує всю Землю. Описаний процес називається самозбуджувальним динамо і працює він до тих пір, поки спостерігається обертання планети і струмопровідний в'язкий шар всередині неї. Разом з тим, така система отримує «підживлення» слабким первинним магнітним полем, що наводиться, наприклад, від Сонця.
Інтенсивність магнітного поля поблизу ядра більш ніж у 25 разів вища, ніж на поверхні планети, а вісь магнітного диполя не збігається з віссю обертання та іноді відбувається переполюсовка (інверсія) – зміна південного полюса на північний і навпаки. Крім того, магнітні полюси знаходяться у постійному хаотичному русі. Це все вкладається у концепцію динамо-ефекту. Зараз північний магнітний полюс планети поступово мігрує до Сибіру, хоча ще у позаминулому столітті фіксувався над північною частиною Канади.
Незважаючи на те, що фізико-хімічні умови у зовнішньому ядрі досить стабільні, воно все ж таки поступово остигає і стає тоншим. За сучасними оцінками, зростання внутрішнього твердого ядра за рахунок кристалізації зовнішнього відбувається зі швидкістю приблизно 1 мм на рік. Якщо оцінити середню товщину зовнішнього ядра близько 2250 км, то виходить, що приблизно через 2,2 млрд. років воно повністю затвердіє, а разом з ним зникне і магнітне поле. Звичайно, певна залишкова намагніченість ще якийсь час спостерігатиметься, проте його інтенсивність виявиться вже не порівнянною з сучасною. Але переживати нам через це не потрібно, адже життя на Землі стане неможливим набагато раніше – вже приблизно через 1 млрд. років за рахунок збільшення світимості Сонця та розігріву поверхні планети до температури понад 100 °С.
