Только магнитное поле проникает на поверхность Земли в неискажённом виде

Наука и жизньНаука

Геомагнитное поле — ключ к пониманию процессов в недрах Земли

Доктор физико-математических наук Максим Решетняк, главный научный сотрудник Института физики Земли РАН

При изучении геофизических процессов учёные имеют дело с несколькими физическими полями: гравитационным, тепловым и магнитным. Гравитационное поле создаётся породами, слагающими Землю. Тепловое поле, или другими словами ― распределение температуры и тепловых потоков, связано с остыванием планеты начиная с момента её образования. Для наблюдателя на поверхности Земли оба поля складываются из множества источников, распределённых по всему объёму планеты. И только магнитное поле, генерируемое на глубине 2900 км, проникает на поверхность Земли практически в неискажённом виде.

Изучая магнитное поле, удаётся заглянуть в очень далёкие от нас области планеты. Более того, информация о древнем геомагнитном поле позволяет составить представление об эволюции планеты в целом. Наука, занимающаяся историей геомагнитного поля, палеомагнетизм, предоставляет нам временны́е записи магнитного поля на протяжении 4,2 млрд лет, что сравнимо с возрастом Земли — 4,5 млрд лет. За последние десятилетия теория динамо, объясняющая существование магнитного поля во многих астрофизических объектах, превратилась в серьёзную область геофизики и тесно связана со многими другими направлениями исследований: строением Земли, теорией её образования, магнитной гидродинамикой, вычислительной математикой, развитием суперкомпьютеров. Ниже мы коснёмся всех перечисленных направлений и их роли в исследовании магнитного поля Земли.

Рисунок Максима Решетняка

Рождение Земли

Четыре с половиной миллиарда лет назад Земля представляла собой собрание холодных метеоритов, удерживаемых между собой гравитационными силами. Под действием тепла, выделяемого при ударах больших метеоритов, а также при распаде радиоактивных изотопов, Земля разогрелась в течение 50—100 млн лет, что привело к разделению вещества планеты на лёгкие силикаты, составившие верхний слой, мантию и металлическое ядро в центре планеты.

Физические свойства мантии и ядра сильно отличаются: мантию можно считать диэлектриком, а ядро, состоящее в основном из железа, — хорошим проводником. И в мантии, и в ядре существует конвекция, но её характерные времена сильно отличаются: в мантии в настоящее время это 1—100 млн лет, а в ядре — от дней до тысяч лет, поскольку вязкость ядра существенно меньше вязкости мантии.

Период быстрого разогрева планеты сменился длительным процессом остывания, продолжающимся по сей день. Остывание происходит за счёт потока тепла в окружающее Землю космическое пространство. Его величину можно измерить по увеличению температуры геологических пород с глубиной. В настоящее время мантия сверху покрыта твёрдой оболочкой, литосферой, представляющей собой тепловой пограничный слой, то есть слой, в котором физические свойства пород и их температура меняются быстро с глубиной. По оценкам, начальная температура в центре ядра была порядка 6000°C. В некоторый момент времени в прошлом, когда точно — неизвестно, в центре Земли произошло зарождение твёрдого металлического ядра. Переход от жидкого состояния к твёрдому связан с увеличением давления с глубиной. Этот переход происходит несмотря на то, что в центре Земли температура остаётся максимальной на протяжении всего процесса остывания. С момента возникновения твёрдое ядро росло, и по сейсмологическим наблюдениям его современный радиус — 1280 км. По многим свойствам твёрдое ядро близко к жидкому, различия ряда параметров, включая плотность и коэффициенты диффузии, составляют около 10 процентов.

Если в жидком ядре конвекция поддерживалась перепадом температуры по его радиусу, то с момента зарождения твёрдого ядра появился новый, дополнительный механизм конвекции. На границе твёрдого ядра во время его роста происходит кристаллизация металла, сопровождаемая выделением теплоты и отделением лёгкой силикатной примеси, поднимающейся затем на поверхность жидкого ядра. В результате в ядре происходит перераспределение масс и изменение их гравитационной энергии, что приводит к возникновению конвекции, получившей название композиционной. По некоторым оценкам она оказывается в три раза более эффективной, чем тепловая конвекция.

Конвекция внутри ядра

Существование жидкого и твёрдого ядер Земли — экспериментально подтверждённый сейсмологами факт. Зная давление, температуру и минералогический состав Земли, можно выяснить, каковы основные физические свойства вещества в зависимости от глубины. Немаловажную роль в этих исследованиях играет изучение свойств веществ при высоких давлениях. Для этого используются два подхода: натурные физические эксперименты во взрывных камерах и численное компьютерное моделирование свойств веществ, основанное на квантовой химии. Оба направления дают близкие оценки для плотности, теплопроводности, вязкости и электрической проводимости вещества ядра. По этим данным удалось выяснить, какие именно физические силы важны в ядре, а какими можно пренебречь. Оказывается, что, с точки зрения баланса сил, ядро Земли — уникально, поскольку сравнительно быстрое суточное вращение в нём приводит к очень необычным последствиям.

В настоящее время область конвекции — жидкое ядро Земли — можно схематично представить в виде слоя, ограниченного сверху мантией, а снизу твёрдым ядром, радиус которого составляет 0,35 от радиуса всего ядра (см. рис.). При достаточном значении разности температур между границами в жидком ядре возникает тепловая конвекция. В основном объёме ядра (вдали от границ) наблюдается баланс трёх сил: архимедовой силы, силы Кориолиса, возникающей из-за вращения Земли, и магнитной силы, вызванной действием магнитного поля на течения расплавленного металла. Архимедова сила направлена по радиусу к центру Земли. Сила Кориолиса перпендикулярна оси суточного вращения планеты (Z на рисунке) и скорости течения вещества в данной точке. Распределение магнитной силы имеет более сложный вид, но, как правило, её роль сводится к уменьшению кинетической энергии потоков, их торможению. Дополнительно на границах ядра возникают вязкие силы (внутреннее трение между движущимися с разной скоростью слоями вещества), приводящие к большим скачкам скорости в тонких пограничных слоях.

Жидкое ядро Земли разделено на две области: I — тейлоровский цилиндр, вытянутый вдоль оси вращения Z (показан вертикальными пунктирными линиями), и II — внешняя область. Серый круг — твёрдое ядро. Стрелками указаны направления крупномасштабных течений вещества. Вверху — в вертикальном направлении, внизу — в поперечном. В области II вблизи границы с цилиндром существует большое количество вытянутых вдоль оси вращения Z спиральных течений. Рисунок из статьи: Решетняк М. Ю., Павлов В. Э. Эволюция дипольного геомагнитного поля. Наблюдения и модели. Геомагнетизм и аэрономия, 2016, Т. 56. № 1. С. 117—132.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Кладовые солнца» калужской земли «Кладовые солнца» калужской земли

Болота. Много или мало их в России?

Наука и жизнь
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Как сахар влияет на клеточное старение и разрушает коллаген: данные исследований Как сахар влияет на клеточное старение и разрушает коллаген: данные исследований

Почему сахар провоцирует воспаления клеток?

ТехИнсайдер
Огонь-трава Огонь-трава

Повстречав это растение на своём пути, непременно замедлишь шаг

Наука и жизнь
Вот оно какое, наше лето Вот оно какое, наше лето

Чем занять ребенка на даче: советы для детей любого возраста

Лиза
Почва в объективе микроскопа Почва в объективе микроскопа

Микроморфология — наука, изучающая тонкие срезы почвы

Наука и жизнь
Типы старения лица и кожи: какие бывают и как их определить Типы старения лица и кожи: какие бывают и как их определить

Какие типы старения лица и организма существуют?

РБК
Дух большой воды Дух большой воды

Почему индейцы боятся «Большой воды» и уходят все глубже в лес?

Вокруг света
10 неожиданных вопросов Кате Гусевой 10 неожиданных вопросов Кате Гусевой

Расспросили королеву ремиксов Катю Гусеву о вере в приметы и любви к собакам

VOICE
«Леонид при Фермопилах» «Леонид при Фермопилах»

Царь Леонид обессмертил своё имя героической гибелью при Фермопилах

Дилетант
«Что знает Мариэль?»: зачем колкое драмеди меняет местами детей и родителей «Что знает Мариэль?»: зачем колкое драмеди меняет местами детей и родителей

Как «Что знает Мариэль?» по-новому рассматривает детско-родительские отношения

Forbes
Автономный шестилапый робот «MICROBRO» Автономный шестилапый робот «MICROBRO»

Как создать ровер, который сам везет ваш багаж туда, куда вам нужно?

Наука и техника
Поверив Гомеру… Поверив Гомеру…

Действительно ли Троя — это тот город, о котором идёт речь в «Илиаде»?

Дилетант
Как Ленин дэвов побеждал Как Ленин дэвов побеждал

Какие отпечатки оставили на народах России события на рубеже XIX и XX веков

Дилетант
Установка для очистки отработанных масел УОМ-3М(100) Установка для очистки отработанных масел УОМ-3М(100)

Как установка УОМ-3М(100) очищает отработанное моторное масло

Наука и техника
Вяземские Вяземские

Происходивший от Рюрика княжеский род Вяземских известен ещё со Средневековья

Дилетант
Из портов на биржу Из портов на биржу

Угольщики стремятся расширить сбыт на внутреннем рынке на фоне падения экспорта

Ведомости
Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
Пифагор, или Теорема с одним неизвестным Пифагор, или Теорема с одним неизвестным

«Нет ни одной детали в жизни Пифагора, которая не была бы опровергнута»

Дилетант
История в фасадах История в фасадах

Число объектов культурного наследия в столице растет

Ведомости
Рабби Давид из люфтваффе Рабби Давид из люфтваффе

В 2019 году Бундестаг одобрил введение в Германии военного раввината

Дилетант
Американские горки Американские горки

Группа БКС возобновила торги американскими бумагами через свой инвестбанк

Ведомости
«Пишите… А. Куприн» «Пишите… А. Куприн»

Эмиграция сложилась для Куприна не просто трудно, а скорее — трагически

Дилетант
Как накормить искусственный интеллект Как накормить искусственный интеллект

Как обеспечить непрерывную работу ИИ и центров обработки данных?

Ведомости
Традиционная стабильность Традиционная стабильность

Какое место в энергетике будущего будут занимать уголь, нефть и газ

Ведомости
Тюрьма народов Тюрьма народов

Как побег из Алькатраса лишь укрепил имидж легендарной тюрьмы

Дилетант
Эра литий-ионных аккумуляторов Эра литий-ионных аккумуляторов

Почему ученые трудятся над тем, чтобы повысить безопасность батареек

Наука и техника
Мошенники делают ставки Мошенники делают ставки

Как мошенники используют аккаунты граждан в букмекерских конторах

Ведомости
Мир экзопланет: самые странные экзопланеты Мир экзопланет: самые странные экзопланеты

Как появляются пульсарные планеты, планеты-зомби и бланеты

Наука и техника
Открыть в приложении