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

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
Не только портфолио: как еще молодым дизайнерам продвигать себя Не только портфолио: как еще молодым дизайнерам продвигать себя

Как дизайнерам сформировать устойчивый фундамент для самопрезентации

РБК
Нечаянный император Нечаянный император

Николай I — царящий надо всеми жандарм, исполняющий свой государственный долг

Дилетант
Пляжный гид Пляжный гид

Где и как можно загорать и купаться в городе

Лиза
Что упало, не пропало Что упало, не пропало

Метеоритные кратеры на Земле

Наука и жизнь
Самая большая порода котов Самая большая порода котов

Какого кота или кошку завести, если ваша душа требует большой кошачьей любви.

Maxim
Цена слова Цена слова

Долгое время конфликт 1954–1962 годов оставался для Франции просто «событиями»

Дилетант
Без крыши дороже Без крыши дороже

Стоят ли кабриолеты своих денег

Деньги
Идем на восток Идем на восток

Увидеть 3 архитектурные эпохи, пожить в XVIII веке и отведать арзамасских гусей

Вокруг света
ИИ выходит на работу ИИ выходит на работу

Знание ИИ — новый стандарт на рынке труда

Ведомости
Казус Донского Казус Донского

Как завещание Дмитрия Донского привело к междусобице на Руси

Дилетант
«Пройтись по городу в ботинках местного жителя». Почему аудиоэкскурсии — это про любовь, а не про деньги «Пройтись по городу в ботинках местного жителя». Почему аудиоэкскурсии — это про любовь, а не про деньги

Как швейцарская идея превратилась в российский edutainment-проект

Inc.
Я хочу сыграть в кешбэк Я хочу сыграть в кешбэк

Как банки влияют на поведение своих клиентов через кэшбек и игровые механики

Монокль
Олег Нестеров — об Александре Кнайфеле и пределах невозможного Олег Нестеров — об Александре Кнайфеле и пределах невозможного

Музыкант Олег Нестеров — о музыке, которую сегодня стоит услышать каждому

РБК
Дача под боком Дача под боком

Идеи оформления балкона, которые перенесут тебя за город

Лиза
Беспроигрышное вложение Беспроигрышное вложение

Что может сработать на национальную идею о многодетности?

Ведомости
IFA против ЗИЛ: в чем сила грузовиков-конкурентов из СССР и ГДР IFA против ЗИЛ: в чем сила грузовиков-конкурентов из СССР и ГДР

Какой грузовой автомобиль был главным в советские годы: ЗИЛ-130 или IFA W 50?

ТехИнсайдер
Главная по костюмам: как Эдит Хэд одевала Голливуд и получила восемь «Оскаров» Главная по костюмам: как Эдит Хэд одевала Голливуд и получила восемь «Оскаров»

История Эдит Хэд — самой титулованной женщины за всю историю премии «Оскар»

Forbes
«Здесь нет никакой архитектуры»: как Корбюзье и Мельников потрясли Париж «Здесь нет никакой архитектуры»: как Корбюзье и Мельников потрясли Париж

Стиль, который не спорил с прошлым, но создавал будущее: ар-деко

Монокль
Селективное развитие Селективное развитие

Как развиваются научные исследования в селекции и генетике для развития АПК

Ведомости
Дама с уликами: как Агата Кристи стала одним из самых продаваемых авторов в истории Дама с уликами: как Агата Кристи стала одним из самых продаваемых авторов в истории

История Агаты Кристи — одной из самых издаваемых и переводимых писательниц

Forbes
Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
Геометрическая прогрессия Геометрическая прогрессия

Всем — лагом: скандинавский принцип умеренности перекочевал в бьюти

Собака.ru
Раскусить преступника: 10 самых сильных криминалистов в истории Раскусить преступника: 10 самых сильных криминалистов в истории

Личности, которым удалось войти в историю как гениям криминалистики

ТехИнсайдер
«Нужно быть готовым к войнам и землетрясениям». Советы туроператора с 35-летним стажем «Нужно быть готовым к войнам и землетрясениям». Советы туроператора с 35-летним стажем

Как оставаться на плаву и быть успешным в туризме?

Inc.
Зловещий ИИ: зачем чат-боты рушат семьи и делают нас глупее и кто в этом виноват Зловещий ИИ: зачем чат-боты рушат семьи и делают нас глупее и кто в этом виноват

Действительно ли от нейросетей исходят серьезные угрозы?

Forbes
Как вывести запах пота с одежды: 5 действенных методов Как вывести запах пота с одежды: 5 действенных методов

Чем можно убрать стойкий запах пота с одежды

ТехИнсайдер
Здоровье как актив: зачем частным клиникам превентивная медицина Здоровье как актив: зачем частным клиникам превентивная медицина

Почему в частных клиниках развивается персонализированный подход

Forbes
Вековые традиции Вековые традиции

Не получается нарисовать стрелки, а тени сразу скатываются?

Лиза
Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат

Мы приезжаем в музей смотреть не на экспонаты, а внутрь себя

Знание – сила
Открыть в приложении