Як виникає магнітне поле Землі?

Якби у Землі не було магнітного поля, то і сама вона, і світ живих організмів, що населяють її, виглядали б зовсім інакше. Магнітосфера, немов величезний захисний екран, оберігає планету від космічного випромінювання, яке безперервно обрушується на неї. Про потужність потоку заряджених частинок, що виходить не тільки від Сонця, а й від інших небесних тіл, можна судити по тому, як деформоване магнітне поле Землі. Наприклад, під напором сонячного вітру силові лінії поля з тієї його сторони, що звернена до Сонця, притиснуті до Землі, а з протилежного боку майорять, немов кометний хвіст. Як показують спостереження, магнітосфера простягається на 70-80 тисяч кілометрів в сторону Сонця і на багато мільйонів кілометрів в протилежному від нього напрямку.

Надійніше всього цей екран виконує свої функції там, де він найменше деформований, де він розташовується паралельно поверхні Землі або злегка нахилений до неї: в районі екватора або в помірних широтах. А ось ближче до полюсів в ньому виявляються вади. Космічне випромінювання проникає до поверхні Землі і, стикаючись в іоносфері з зарядженими частинками (іонами) повітряної оболонки, породжує барвистий ефект – сполохи полярного сяйва. Якби цього екрану не було, космічна радіація безперервно б проникала до поверхні планети і викликала мутації генетичного спадщини живих організмів. Лабораторні експерименти показують також, що відсутність земного магнетизму негативно позначається на формуванні і зростанні живих тканин.

Загадки магнітного поля Землі тісно пов’язані з його походженням. Наша планета зовсім не нагадує собою стрижневий магніт. Її магнітне поле влаштовано набагато складніше. Є різні теорії, що пояснюють, чому Земля має цим полем. Адже для того, щоб воно існувало, необхідно, щоб було виконано одну з двох умов: або всередині планети розташовується величезний «магніт» – таке собі намагнічене тіло (довгий час учені так і вважали), або там протікає електричний струм.

Останнім часом найбільш популярна теорія земної «динамо-машини». Ще в середині 1940-х років її запропонував радянський фізик Я.І. Френкель. На 90 з гаком відсотків магнітне поле Землі генерується за рахунок роботи цієї «динамо-машини». Частину, що залишилася його частина створюють намагнічені мінерали, що містяться в земній корі.

Як же виникає магнітне поле Землі? На відстані приблизно 2900 кілометрів від її поверхні починається земне ядро ​​- та область планети, до якої ніколи не вдасться дістатися дослідникам. Ядро складається з двох частин: твердого внутрішнього ядра, спресованого під тиском 2 мільйони атмосфер і містить в основному залізо, а також розплавленої зовнішньої частини, яка поводиться дуже хаотично. Цей розплав заліза і нікелю постійно перебуває в русі. Магнітне поле і створюється за рахунок конвективних потоків в зовнішньому ядрі. Ці потоки підтримуються завдяки помітному перепаду температур між твердим внутрішнім ядром і мантією Землі.

Внутрішня частина ядра обертається швидше зовнішньої і грає роль ротора – обертається електрогенератора, в той час як зовнішня – роль статора (його нерухомої частини). У розплавленому речовині зовнішнього ядра збуджується електричний струм, який, в свою чергу, породжує потужне магнітне поле. Це і є принцип динамо-машини. Іншими словами, земне ядро ​​являє собою величезний електромагніт. Силові лінії створеного ним магнітного поля починаються в районі одного полюса Землі і закінчуються в районі іншого полюса. Форма і інтенсивність цих ліній варіюються.

Зародилося ж магнітне поле Землі, як вважають вчені, ще в ту пору, коли тільки йшло формування планети. Можливо, вирішальну роль зіграло Сонце. Воно запустило цю природну «динамо-машину», яка продовжує свою роботу і тепер.

Ядро оточене мантією. Її нижні шари знаходяться під великим тиском і розігріті до дуже високих температур. На кордоні, що розділяє мантію і ядро, протікають інтенсивні процеси теплообміну. Перенесення тепла грає ключову роль. До холоднішою мантії притікає тепло з розпеченого ядра Землі, і це позначається на конвективних потоках в самому ядрі, змінює їх.

У зонах субдукції, наприклад, ділянки морського дна опускаються в глиб Землі, майже досягаючи кордону, що розділяє мантію і ядро. Ці шматки літосферних плит, «відправлені» на переплавку в надра планети, помітно холодніше тієї частини мантії, де опинилися. Вони охолоджують навколишні їх області мантії, і сюди починає перетікати тепло з боку ядра Землі. Процес цей дуже тривалий. Розрахунки показують, що часом лише після сотень мільйонів років температура охолоджених областей мантії вирівнюється.

У свою чергу, розпечена речовина, піднімаючись у вигляді величезних струменів від кордону, що розділяє мантію і ядро, досягає поверхні планети.

У цій зміні полюсів немає нічого незвичайного. В історії нашої планети таке відбувалося часто. Однак були епохи, коли зміна полюсів припинялася. Наприклад, в крейдяному періоді вони не мінялися місцями протягом майже 40 мільйонів років.

Намагаючись пояснити цей феномен, французькі дослідники на чолі з Франсуа Петрелі звернули увагу на положення континентів щодо екватора. Виявилося, що більше континентів лежить в одному з півкуль Землі, тим частіше її магнітне поле змінює свій напрямок. Якщо ж, навпаки, континенти розташовуються симетрично щодо екватора, то протягом багатьох мільйонів років магнітне поле залишається стабільним.

Так, може бути, положення континентів впливає на конвективні потоки в зовнішній частині ядра? У такому випадку цей вплив здійснюється через зони субдукції. Коли майже всі континенти знаходяться в одному з півкуль, там буде і більше зон субдукції. Масивна, холодна кора буде все опускатися до кордону, що розділяє мантію і ядро, і накопичуватися там. Утворилися затори, безсумнівно, порушать тепловий обмін між мантією і ядром. Комп’ютерна модель показує, що конвективні потоки в зовнішньому ядрі через це теж зміщуються. Тепер уже і вони асиметричні щодо екватора. Очевидно, при такому їх розташуванні земну «динамо-машину» легше вивести з рівноваги. Вона, немов людина, що встав на одну ногу і готовий втратити рівновагу від легкого поштовху. Ось і магнітне поле раптово «перевертається».

Отже, цілком можливо, що на зміну магнітних полюсів впливають тектонічні процеси, що протікають на нашій планеті, і, перш за все, рух континентів. Прояснити це можуть подальші палеомагнітні дослідження, В будь-якому випадку вчені виявляють все більше фактів, які свідчать про те, що між рухом літосферних плит на поверхні Землі і «динамо-машиною», що створює магнітне поле Землі і розташованої в самому центрі планети, є певний зв’язок .

Посилання на основну публікацію