21. septembra 2020

Keď sever nie je severom

Akiste ste už videli notoricky známy obrázok ilustrujúci magnetické pole Zeme, kde obrovský tyčový magnet beží naprieč celou Zemou a vytvára jej magnetické pole. Je pravda, že magnetické pole Zeme sa veľmi ponáša na magnetické pole tyčového magnetu, no jeho podstata je úplne odlišná. Aby sme pochopili, ako magnetické pole Zeme vzniká, musíme si povedať niečo málo o zemskom jadre.

Zemské jadro pozostáva z pevného vnútorného a kvapalného vonkajšieho jadra. Obe sú tvorené prevažne kovmi, takže sú elektricky vodivé. Magnetické pole Zeme vzniká v súčinnosti dvoch procesov. Keďže je jadro vodivé, tečú ním prúdy, no a prúdy okolo seba vytvárajú magnetické pole. Lenže toto magnetické pole spätne pôsobí na tieto prúdy, čím mení zdroj poľa, a preto sa vyvíja v čase. Z tohto dôvodu magnetické póly Zeme nie sú statické, ale pohybujú sa rýchlosťou rádovo desiatok kilometrov ročne.

Rovnice popisujúce generovanie magnetického poľa Zeme sú veľmi zložité a nie je možné ich riešiť analyticky (tj. bez počítača, napr. na papieri). Je však možné ich riešiť numericky, a teda numericky modelovať vývoj magnetického poľa Zeme. Tieto numerické testy ukázali, že ak by bolo magnetické pole Zeme axiálne (t. j. ak by magnetické póly korešpondovali s tými geografickými a nehýbali by sa), tak by magnetohydrodynamo prestalo fungovať a magnetické pole Zeme by vymizlo rádovo za desaťtisícky rokov. Asymetria magnetického poľa Zeme je teda kľúčová k jeho udržaniu.

Ako už bolo povedané, magnetohydrodynamo je popísané zložitými rovnicami, a tie pripúšťajú prepólovanie magnetického poľa Zeme (angl. reversal). Počas prepólovania sa v relatívne krátkom čase (tisícky rokov) presunú magnetické póly Zeme po komplikovaných trajektóriách na opačnú hemisféru, kde zaujmú nový stabilný stav (v zmysle, že sa budú opäť len pomaly posúvať). Počas prepólovania sa v jadre deje to, že sa magnetické indukčné čiary zamotajú (obr. 1). Pole má vtedy veľmi zložitú štruktúru, môže mať dokonca viac pólov (kvadrupól, oktupól,…) a na povrchu Zeme je slabé (pokles zhruba na 10% jeho pôvodnej veľkosti). Nadobudnutie novej stabilnej polohy je dôsledkom rozmotania magnetických indukčných čiar. K poslednému prepólovaniu magnetického poľa Zeme došlo pred 780 000 rokmi.

Okrem prepólovania častejšie dochádza k tzv. geomagnetickým exkurziám (angl. excursion). Tie prebiehajú podobne ako prepólovania, no trvajú kratšie a na ich konci sa magnetické pole vráti do svojej pôvodnej podoby. Jedna teória hovorí, že k prepólovaniu dochádza, keď sa zmení polarita aj vo vnútornom jadre Zeme, zatiaľ čo pri exkurzii sa zmení polarita len vo vonkajšom kvapalnom jadre. Na exkurziu by sa teda dalo pozerať ako na neúspešné prepólovanie a dalo by sa povedať, že vnútorné jadro stabilizuje magnetické pole Zeme voči zmenám polarity. Napríklad také Slnko nemá pevné vnútorné jadro a k prepólovaniu jeho magnetického poľa dochádza každých 9 až 12 rokov.

Ako vieme, že k exkurziám a prepólovaniam skutočne dochádza? Informácie o tom nám poskytujú horniny obsahujúce tzv. feromagnetické alebo ferimagnetické minerály. Tieto minerály obsahujú tzv. magnetické domény, niečo ako drobné magnetíky, ktoré sú bežne náhodne orientované, takže ich výsledné magnetické pole sa vyruší. Keď však horniny vznikajú za prítomnosti magnetického poľa, domény majú tendenciu zarovnať sa v smere magnetického poľa, čím sa z nich stanú magnety. Keď sa nám podarí nájsť takúto prirodzene zmagnetizovanú horninu a určiť jej vek, vieme určiť smer magnetického poľa v danej dobe.

Obr. 1

Dobrými vzorkami sú vulkanické horniny vznikajúce pomalým tuhnutím lávy, horniny vznikajúce pomalou kryštalyzáciou z roztokov a usadené horniny vznikajúce pomalou sedimentáciou na dne jazier a oceánov. Zrejme najlepším dôkazom je magnetický vzor oceánskeho dna. Zemská kôra pozostáva z litosférických dosiek, ktoré sa v miestach oceánskych chrbtov pohybujú od seba, a teda tam vzniká nová kôra tuhnutím magmy.

Obr. 2

Ako už bolo povedané, tuhnúca hornina si so sebou po celý zvyšok života nesie informáciu o smere magnetického poľa v dobe jej vzniku. Magnetický vzor oceánskeho dna (obr. 2) je teda taký čiarový kód (doslova) nesúci informáciu o histórii magnetického poľa Zeme.

Obr. 3

To výrazne prispelo k tomu, že sa podarilo zrekonštruovať históriu magnetického poľa Zeme (obr. 3, čierna farba značí súčasnú polaritu, biela opačnú). Tá sa vyznačuje striedaním rôzne dlhých období s rovnakou polaritou. Obdobie, počas ktorého malo magnetické pole prevažne jednu polaritu sa nazýva chron.

Krátky pohľad do súčasnosti Veľkosť magnetického poľa Zeme na povrchu sa nepretržite meria od tridsiatych rokov devätnásteho storočia. Za ten čas poklesla o zhruba 10%. To je rýchlejší pokles než aký by sme pozorovali, keby magnetohydrodynamo Zeme prestalo fungovať a pole by sa pozvoľne rozpadalo, čo značí, že musí ísť o riadený proces. Tým teraz nemyslíme, že niekto cielene ničí magnetické pole Zeme. Tým „riadený“ sa myslí, že ho riadi tá istá fyzika, ktorá magnetohydrodynamo udržuje v činnosti. Navyše sústavne klesá podiel dipólovej zložky magnetického poľa Zeme a narastá podiel vyšších multipólov (kvadrupól, oktupól,…), čo môže byť znakom „zauzľovania“ magnetických indukčných čiar.

Je teda namieste otázka, či sa nachádzame v počiatočných fázach prepólovania alebo exkurzie, alebo ide len o malú perturbáciu a pole sa postupne vráti späť do normálu. Čo by prípadné prepólovanie znamenalo pre ľudstvo? Teraz nechajme bokom to, že by sme si museli zvyknúť na to, že kompasy ukazujú na juh, a zamyslime sa, či prepólovanie predstavuje nejaké nebezpečenstvo.

Samotná zmena polarity nemá nejaký zásadný vplyv na život, pokiaľ zrovna na svoju orientáciu nepoužívate magnetické pole ako niektoré živočíchy. Pre ne by to mohlo byť až fatálne. Pre nás ostatných môže predstavovať nebezpečenstvo jedine fáza počas samotného prepólovania, kedy je magnetické pole výrazne slabé. Magnetické pole Zeme nás chráni pred slnečným vetrom, vysokoenergetickými časticami prilietajúcimi zo Slnka. V prípade, že magnetické pole poklesne, tieto čatice by prenikali hlbšie do atmosféry, kde by mohli výrazne poškodiť ozónovú vrstvu. To by znamenalo vystavenie nebezpečnému UV žiareniu, čo by mohlo viesť napríklad k zvýšenému výskytu rakoviny kože.

Je však nepravdepodobné, že by prepólovanie spôsobilo nejaké rozsiahle vymieranie. Ľudstvo síce ešte nikdy nezažilo prepólovanie magnetického poľa Zeme, no naši predkovia už zažili niekoľko exkurzií magnetického poľa a nie sú žiadne dôkazy, že by sa viazali s hromadným vymieraním.

Obr. 4

Pravdou však je, že naša civilizácia je závislá na moderných technológiách, čo tu v minulosti nebolo, a tie sú mimoriadne citlivé na poškodenie vysokoenergetickými časticami, pred ktorými nás chráni magnetické pole. Ako dôkaz sa môžeme pozrieť na mapku, v ktorej sú zakreslené miesta, kde došlo k poruchám satelitov (obr. 4). Nie je náhoda, že najčastejšie dochádza k poruchám v miestach tzv. Juhoatlantickej anomálie, kde je magnetické pole Zeme výrazne slabšie.

[Jaro]

Pridaj komentár