Наука — Изучение геодинамо

Изучение геодинамо

Ученые давно задавались вопросом, почему магнитные полюса Земли время от времени меняются местами. Последние исследования вихревых перемещений расплавленных масс внутри Земли позволяют понять, как происходит переполяризация.

Магнитные силовые линии, созданные на компьютерной модели геодинамо, показывают, насколько структура магнитного поля Земли проще за ее пределами, чем внутри ядра (спутанные трубочки в центре). На поверхности Земли большая часть линий магнитного поля выходит изнутри (длинные желтые трубочки) у Южного полюса и входит внутрь (длинные голубые трубочки) около Северного.

Большинство людей обычно не задумываются, почему стрелка компаса показывает на север или юг. Но магнитные полюса планеты не всегда располагались так, как сегодня.

Исследования минералов показывают, что магнитное поле Земли за 4-5 млрд. лет существования планеты меняло свою ориентацию с севера на юг и обратно сотни раз. Однако в течение последних 780 тыс. лет ничего подобного не происходило, несмотря на то, что средний период смены магнитных полюсов - 250 тыс. лет. Кроме того, геомагнитное поле ослабло почти на 10% с тех пор, как оно впервые было измерено в 30-х гг. XIX в. (т.е. почти в 20 раз быстрее, чем если бы, лишившись источника энергии, оно снизило свою силу естественным путем). Грядет ли следующая смена полюсов?

Источник колебаний магнитного поля спрятан в центре Земли. Наша планета, подобно другим телам Солнечной системы, создает свое магнитное поле с помощью внутреннего генератора, принцип работы которого такой же, как и обычного электрического, преобразующего кинетическую энергию своих движущихся частиц в электромагнитное поле. В электрогенераторе движение происходит в витках катушки, а внутри планеты или звезды - в проводящей жидкой субстанции. Огромная масса расплавленного железа объемом в 5 раз больше Луны циркулирует в сердцевине Земли, образуя так называемое геодинамо.

За последние десять лет ученые разработали новые подходы к исследованию работы геодинамо и его магнитных свойств. Спутники передают четкие моментальные фотоснимки геомагнитного поля на поверхности Земли, а современные методы компьютерного моделирования и созданные в лабораториях физические модели помогают интерпретировать данные орбитальных наблюдений. Проведенные эксперименты натолкнули ученых на новое объяснение того, как происходила переполяризация в прошлом и как она может начаться в будущем.

Энергия геодинамо

Прежде чем приступить к исследованию переполяризации, важно рассмотреть, что же приводит в действие геодинамо. К 40-м гг. прошлого столетия физики признавали три необходимых условия образования магнитного поля планеты, и последующие научные построения исходили из данных положений. Первое условие - большой объем электропроводящей жидкой массы, насыщенной железом, образующей внешнее ядро Земли. Под ним расположено внутреннее ядро Земли, состоящее почти из чистого железа, а над ним - 2900 км твердых пород плотной мантии и тонкой земной коры, образующей континенты и ложе океана. Давление на ядро, создаваемое земной корой и мантией, в 2 млн. раз выше, чем на поверхности Земли. Температура ядра также крайне высока - около 5000о по Цельсию, как и температура поверхности Солнца.

Вышеописанные параметры экстремальной среды предопределяют второе требование к работе геодинамо: необходимость источника энергии для приведения в движение жидкой массы. Внутренняя энергия отчасти термального, отчасти химического происхождения создает внутри ядра условия выталкивания. Ядро больше разогревается внизу, чем наверху. (Высокие температуры "замурованы" внутри него со времен образования Земли.) Это означает, что более разогретая, менее плотная металлическая составляющая ядра стремится вверх. Когда жидкая масса достигает верхних слоев, она теряет часть своего тепла, отдавая его вышележащей мантии. Затем жидкое железо остывает, становясь плотнее, чем окружающая масса, и опускается. Процесс перемещения тепла путем поднятия и опускания жидкой массы получил название тепловой конвекции.

В 60-х гг. XX в. Станислав Брагинский (Stanislav Braginsky) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предположил, что тепло, выделяемое из верхних слоев жидкой массы, также вызывает расширение внутреннего кристаллического ядра и снабжает конвекцию двумя дополнительными источниками подъемной силы. Затвердение жидкой массы вокруг кристаллического ядра сопровождается выделением скрытого тепла, которое усиливает выталкивание. Кроме того, менее плотные химические соединения, так же как сульфид и окись железа, устремляются из внутреннего ядра наверх, провоцируя конвекцию.

Третье необходимое условие поддержания магнитного поля - вращение Земли. Возникающая при этом сила Кориолиса отклоняет движение поднимающейся жидкой массы внутри Земли так же, как она поворачивает океанические течения и тропические циклоны, вихри перемещения которых видны на космических снимках. В центре Земли сила Кориолиса закручивает поднимающуюся жидкую массу в штопор или спираль, подобно оторвавшейся пружине.

Земля обладает насыщенной железом жидкой массой, сосредоточенной в ее центре, энергией, достаточной для поддержания конвекции, и силой Кориолиса, закручивающей конвекционные потоки. Данный фактор крайне важен для поддержания работы геодинамо на протяжении миллионов лет. Но нужны новые знания, чтобы ответить на вопрос о том, как образуется магнитное поле и почему время от времени полюса меняются местами.

Поток внутри расплавленного внешнего ядра Земли по своей сложной структуре напоминает турбулентную конвекцию, создаваемую на двухмерных компьютерных моделях (слева). На трехмерных моделях геодинамо наблюдаются более крупные завитки, присущие ламинарному течению (справа), До сих пор невозможно вычислить трехмерный турбулентный поток, создаваемый внутри ядра.

Карты магнитного поля

Теперь ученые получили возможность сравнить точные карты геомагнитного поля, полученные за последние двадцать лет. В 1980 г. измерения геомагнитного поля над земной поверхностью были сделаны со спутника Magsat, а с 1999 г. - с Oersted. Используя математические методы, исследователи экстраполировали данные спутников на поверхность ядра, исходя из положения, что электрические токи в мантии ничтожно малы. Магнитное поле, значительно интенсивнее и сложнее поля ядра, внутри которого и образуются магнитные колебания, было обнаружено на границе мантии и ядра. Возникающие в сердцевине электротоки препятствуют непосредственным измерениям его магнитного поля.

Важно, что большая часть геомагнитного поля образуется только в четырех обширных областях на границе ядра и мантии. Хотя геодинамо продуцирует очень сильное магнитное поле, только 1% его энергии распространяется за пределами ядра. Общая конфигурация магнитного поля, измеренного на поверхности, носит название диполя, который большую часть времени ориентирован по земной оси вращения. Как и в поле линейного магнита, основной геомагнитный поток направлен от центра Земли в Южном полушарии и к центру - в Северном. (Стрелка компаса указывает на северный географический полюс, поскольку рядом находится южный магнитный полюс диполя.) Космические наблюдения показали, что магнитный поток имеет неравномерное глобальное распределение, наибольшая напряженность прослеживается на Антарктическом побережье, под Северной Америкой и Сибирью.

Ульрих Кристенсен (Ulrich R. Christensen) из Научно-исследовательского института Солнечной системы Макса Планка в Катленбурге-Линдау, Германия, считает, что эти обширные участки земли существуют тысячи лет и поддерживаются постоянно развивающейся конвекцией внутри ядра. Могут ли аналогичные явления быть причиной смены полюсов? Историческая геология свидетельствует, что смены полюсов происходили в относительно короткие промежутки времени - от 4 тыс. до 10 тыс. лет. Если бы геодинамо прекратило свою работу, то диполь существовал бы еще 100 тыс. лет. Быстрая же смена полярности дает основание полагать, что некое неустойчивое положение нарушает первоначальную полярность и вызывает новую смену полюсов.

В отдельных случаях таинственная неустойчивость может объясняться некоторым хаотическим изменением структуры магнитного потока, которое лишь случайно приводит к переполяризации. Однако частота смены полярности, проявляющаяся все более устойчиво за последние 120 млн. лет, говорит о возможности внешнего регулирования. Одной из причин его может быть перепад температуры в нижнем слое мантии, и вследствие этого - изменение в характере излияний ядра.

Некоторые симптомы переполяризации были выявлены при анализе карт, которые были сделаны со спутников Magsat и Oersted. Готье Гюло (Gauthier Hulot) и его коллеги из Парижского геофизического института отметили, что длительные изменения геомагнитного поля возникают на границе ядра и мантии в тех местах, где направление геомагнитного потока обратно нормальному для данного полушария. Наибольший из так называемых участков обратного магнитного поля протянулся из южной оконечности Африки на запад к Южной Америке. На данном участке магнитный поток направлен внутрь, к ядру, в то время как большая часть его в Южном полушарии направлена из центра.

Районы, где магнитное поле направлено в противоположную для данного полушария сторону, возникают при случайном прорыве закрученных и петляющих линий магнитного поля за пределы ядра Земли. Участки обратного магнитного поля могут существенно ослабить магнитное поле на поверхности Земли, называемое диполем, и свидетельствовать о начале смены земных полюсов. Они появляются, когда поднимающаяся жидкая масса проталкивает горизонтальные магнитные линии вверх в расплавленном внешнем ядре. Такое конвективное излияние иногда закручивает и выдавливает магнитную линию (а). Одновременно силы вращения Земли вызывают винтовую циркуляцию расплава, которая может затянуть петлю на выдавленной магнитной линии (б). Когда выталкивающая сила достаточно велика, чтобы выбросить петлю из ядра, на границе ядро-мантия образуется пара участков магнитного потока.

Образование участков обратного магнитного поля

Самое серьезное открытие, сделанное при сравнении последних измерений, полученных с Oersted, и проведенных в 1980 г., заключалось в том, что новые участки обратного магнитного поля продолжают формироваться, например, на границе ядро-мантия под восточным побережьем Северной Америки и Арктикой. Более того, ранее выявленные участки выросли и немного сдвинулись в сторону полюсов. В конце 80-х гг. XX в. Дэвид Габбинс (David Gubbins) из Лидского университета в Англии, изучая старые карты геомагнитного поля, отметил, что распространение, рост и смещение в сторону полюсов участков обратного магнитного поля объясняет снижение силы диполя в историческом времени.

Согласно теоретическим положениям о силовых магнитных линиях, возникающие в жидкой среде ядра под действием силы Кориолиса малые и большие вихри закручивают силовые линии в узел. Каждый поворот собирает все больше силовых линий в ядре, усиливая таким образом энергию магнитного поля. Если процесс продолжается беспрепятственно, то магнитное поле усиливается бесконечно. Однако электрическое сопротивление рассеивает и выравнивает витки силовых линий настолько, чтобы остановить самопроизвольный рост магнитного поля и продолжить воспроизводство внутренней энергии.

Участки с интенсивным магнитным нормальным и обратным полем формируются на границе ядро-мантия, где малые и большие завихрения взаимодействуют с магнитными полями восточно-западного направления, описываемыми как тороидальные, которые проникают внутрь ядра. Турбулентные жидкостные перемещения могут закручивать линии тороидальных полей в петли, называемые полоидальными полями, имеющими ориентацию север-юг. Иногда закручивание происходит при поднятии текучей массы. Если такое излияние достаточно мощно, то вершина полоидальной петли выталкивается из ядра (см. врезку слева). В результате такого выталкивания образуются два участка, на которых петля пересекает границу ядро-мантия. На одном из них возникает направление магнитного потока, совпадающее с общим направлением поля диполя в данном полушарии; на другом же участке поток направлен противоположно.

Когда вращение относит участок обратного магнитного поля ближе к географическому полюсу, чем участок с нормальным потоком, наблюдается ослабление диполя, который наиболее уязвим вблизи своих полюсов. Таким образом можно объяснить обратное магнитное поле на юге Африки. При глобальном наступлении смены полюсов участки обратного магнитного поля могут разрастаться по всему региону вблизи географических полюсов.

Контурные карты магнитного поля Земли на границе ядро-мантия, составленные по измерениям, сделанным со спутника, показывают, что большая часть магнитного потока направлена от центра Земли в Южном полушарии и к центру в Северном. Но в некоторых районах складывается обратная картина. Участки обратного магнитного поля росли в числе и размерах между 1980 и 2000 г. Если они заполонят все пространство у обоих полюсов, то может произойти переполяризация.

Компьютерное моделирование

Чтобы узнать, как участки обратного магнитного поля могут предупреждать о наступлении следующей переполяризации, ученые смоделировали геодинамо на суперкомпьютерах и в лабораториях. В 1995 г. три группы ученых - Акиры Кагеямы (Akira Kageyama) из Токийского университета, Поля Робертса (Paul H.Roberts) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе вместе с одним из авторов этой статьи (Глацмайер) и Криса Джонса (Chris Jones) из Эксетерского университета в Анг­лии - независимо разработали цифровые модели магнитных полей, схожих с существующими на поверхности Земли. На моделях был воспроизведен процесс, показывающий, как на границе ядро-мантия в течение сотни тысяч лет конвекция может создавать участки обратного магнитного поля, которые появляются перед спонтанной сменой полюсов диполя, которую также можно смоделировать.

Моделирование переполяризации дает ученым первое представление о том, как могут возникать и развиваться такие переключения. На одной из трехмерных моделей, которая должна была выполняться по 12 часов в день более года, чтобы воспроизвести 300 тыс. лет, начало смены полюсов выразилось как падение напряженности поля диполя. Затем стали появляться участки обратного магнитного поля, похожие на те, что образуются сегодня на границе ядра и мантии. Но вместо того, чтобы погасить магнитное поле совсем, эти участки в переходный период создали слабое поле с разнородной полярностью.

При моделировании смена полюсов диполя на поверхности Земли наблюдалась в то время, когда на границе ядро-мантия участки обратного магнитного поля начинали превалировать над участками с первоначальной полярностью. В целом исчезновение прежней полярности и возникновение новой внутри ядра заняло 9 тыс. лет.

Современные трехмерные компьютерные модели геодинамо могут воспроизводить произвольную переполяризацию магнитного диполя Земли. Одна из моделируемых смен произошла с интервалом в 9 тыс. лет. Модели с изображением магнитных силовых линий позволят представить смену полюсов.

На картах магнитного поля представлено, как при нормальной полярности большая часть магнитного потока направлена от центра Земли (желтый цвет) в Южном полушарии и к ее центру (голубой цвет) в Северном (а). Начало переполяризации отмечается появлением нескольких ареалов обратного магнитного поля (голубой цвет в Южном полушарии и желтый в Северном), напоминающих об образовании его участков на границе ядро-мантия. Приблизительно за 3 тыс. лет они уменьшили напряженность поля диполя, которое сменилось более слабым, но более сложным переходным полем на границе ядро-мантия (б). Смена полюсов стала частым явлением через 6 тыс. лет, когда на границе ядро-мантия стали преобладать участки обратного магнитного поля (в). К этому времени полная смена полюсов проявилась и на поверхности Земли. Но только еще через 3 тыс. лет произошла полная замена диполя, включая ядро Земли (г).

На модели представлены магнитное поле внутри ядра (пучок силовых линий в центре) и появление диполя (длинные изогнутые линии) за 500 лет (а) до середины переполяризации (б) магнитного диполя и спустя 500 лет на этапе ее завершения (в).

За последние 150 млн. лет переполяризация происходила сотни раз, о чем свидетельствуют минералы, намагниченные полем Земли во время разогрева горных пород. Затем породы остыли, а минералы сохранили прежнюю магнитную ориентацию.

Что могло быть не учтено

Насколько достоверно отражают модели внутреннюю энергетику Земли, никто не знает. Ни одна модель не воспроизвела турбулентность в недрах планеты, поскольку пока невозможно смоделировать магнитную турбулентность, сохраняя физические параметры в трех измерениях. Вихревые малые и большие движения, закручивающие магнитные силовые линии, измеряются в метрах, а наилучшее разрешение современного компьютера составляет 10 км. Это означает, что все трехмерные компьютерные модели геодинамо до сих пор воспроизводили крупномасштабные ламинарные течения. При изучении некоторых свойств жидкой субстанции ядра для более точного определения турбулентного потока на ламинарной модели ученые могут воспользоваться большими величинами, которые на самом деле будут слишком малы для цифрового решения. Чтобы получить достоверную картину, исследователи должны использовать двухмерное изображение, однако поток в двухмерной модели не сможет поддерживать работу геодинамо. Моделируемые сегодня ламинарные течения спокойнее, чем турбулентные потоки, вероятно, присутствующие внутри земного ядра.

Важно проследить, как проходит поднимающаяся из ядра расплавленная масса. На простых моделях ламинарное течение сопровождается большими шлейфами на всем протяжении от центра ядра к его периферии. На турбулентных двухмерных моделях конвекционное течение отличается многочисленными мелкими завихрениями, которые разъединяются вблизи нижней и верхней границ ядра и взаимодействуют в главной конвективной зоне.

Такие различия в структуре течения жидкой массы могут оказать воздействие на магнитное поле Земли и время его изменения. Вот почему исследователи занимаются разработкой трехмерных моделей следующего поколения. Возможно, лет через десять программы с повышенными скоростями обработки данных позволят создать модель геодинамо с сильной турбулентностью. А пока мы проводим эксперименты с лабораторными моделями генерации внутренней энергии.

Лабораторные генераторы внутренней энергии

Для того чтобы понять работу геодинамо, необходимо сравнить динамо-машины, созданные на компьютерах и в лабораториях. Первые лишены турбулентности, вторые - конвекции. Впервые лабораторные исследования начались в 60-х гг. XX в., но дорога к успеху оказалась длинной. Слишком велика разница в размерах между лабораторными аппаратами и реальным ядром планеты. Для воспроизводства внутренней энергии в жидкой среде необходимо, чтобы магнитное число Рейнольдса (безразмерная величина) превысило значение, приблизительно равное 10.

Магнитное число Рейнольдса ядра Земли, вероятно, из-за его больших линейных размеров (радиус около 3485 км) составляет 1000. Большое магнитное число Рейнольдса трудно создать в малых объемах жидкой массы, если не добиться высокой скорости ее движения.

В 2000 г. Агрис Гаилитис (Agris Gailitis) из Латвийского университета и Роберт Штиглиц (Robert Stieglitz), Ульрих Мюллер (Ulrich Muller) из Научного центра в Карлсруэ и Фриц Буссе (Fritz Busse) из Университета Бейреута, Германия, независимо получили самопроизвольное поле в больших объемах жидкого натрия. Обе группы добились высоких скоростей течения в винтообразных трубах длиной 1-2 м и критического значения магнитного числа Рейнольдса около 10.

Сейчас многие группы исследователей заняты разработкой следующего поколения генераторов внутренней энергии. Стараясь как можно точнее сформулировать геодинамо, ученые перемешивают жидкий натрий в огромных сферах трехметрового диаметра. Спутник CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) проводит съемку геомагнитного поля, непосредственно измеряя его изменения в реальном времени на границе ядро-мантия. Ученые рассчитывают в течение пяти лет получить изображение геомагнитного поля, что поможет им в исследованиях участков обратного геомагнитного поля и других признаков ослабевания диполя Земли.

Таким образом, наблюдения со спутника, компьютерное моделирование и лабораторные опыты позволят создать более полную картину работы геодинамо и объяснят смену полюсов.

Читайте также: