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

О чём пишут научно-популярные журналы мира О чём пишут научно-популярные журналы мира

Угроза от соли, раннее изучение иностранного языка и электрические самолеты

Наука и жизнь
Юродивый из Лефортова Юродивый из Лефортова

Почему смерть рэпера обсуждала вся страна и что не так с молодежной политикой?

Монокль
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
Всё в цвету Всё в цвету

Обсудили с экспертом, как защитить чувствительную кожу в сезон пыльцы

Лиза
Что упало, не пропало Что упало, не пропало

Метеоритные кратеры на Земле

Наука и жизнь
Как понять, хорошо ли работает ваш директор по развитию Как понять, хорошо ли работает ваш директор по развитию

Какие KPI нужно измерять у директора по развитию, чтобы бизнес развивался

Inc.
Пять ошибок Пять ошибок

Как Брут из властителя Рима превратился в государственного преступника?

Дилетант
Мария Порошина Мария Порошина

«Людмила Ставская взяла меня за руку, а я чувствовала себя как слепой котенок»

Караван историй
Философ в российском МИДе Философ в российском МИДе

«Разглядывание карты не всегда приводит к верным политическим выводам»

Дилетант
«Мои родственники защищали Москву»: Яна Сексте впервые снялась в фильме о войне «Мои родственники защищали Москву»: Яна Сексте впервые снялась в фильме о войне

Яна Сексте — о съемках в военной драме «В списках не значился»

VOICE
Подельники Подельники

Девять (помимо Брута) самых интересных заговорщиков против Цезаря

Дилетант
«Мамонты следующие»: Colossal Biosciences вернула к жизни вымерших 10 тысяч лет назад лютоволков «Мамонты следующие»: Colossal Biosciences вернула к жизни вымерших 10 тысяч лет назад лютоволков

Как ученым Colossal Biosciences удалось произвести на свет щенков лютоволка

VC.RU
От жуткого хоррора до ироничной пародии: как кино переосмысливает классические сказки на новый лад От жуткого хоррора до ироничной пародии: как кино переосмысливает классические сказки на новый лад

Оригинальные проекты, переосмысливающие классические сказки в неожиданном ключе

Правила жизни
От Аттилия до Спартака: 5 знаменитых гладиаторов Древнего Рима От Аттилия до Спартака: 5 знаменитых гладиаторов Древнего Рима

История первых гладиаторских боев корнями уходит еще в III век до нашей эры...

ТехИнсайдер
Эффект рататуя Эффект рататуя

Как вкусы из детства могут формировать наш характер и модель поведения

Grazia
Голодные игры: как российским компаниям выжить в борьбе за последних специалистов Голодные игры: как российским компаниям выжить в борьбе за последних специалистов

Как радикально повысить производительности труда?

Forbes
Как Шаболовка, но в 4 раза выше: мы нашли самый высокий гиперболоид мира Как Шаболовка, но в 4 раза выше: мы нашли самый высокий гиперболоид мира

Canton Tower – самый высокий гиперболоид мира

ТехИнсайдер
Лариса Голубкина: «Я очень много молчу. Вот вы уйдете, я ни с кем не заговорю» Лариса Голубкина: «Я очень много молчу. Вот вы уйдете, я ни с кем не заговорю»

«Я больше 30 лет никогда ни с кем не обнималась. А это очень хорошая штука»

Караван историй
Почему взрослые дети не уважают зрелых родителей: мнение и советы психоаналитика Почему взрослые дети не уважают зрелых родителей: мнение и советы психоаналитика

Почему мы считаем родительские убеждения устаревшими и обесцениваем их опыт

Psychologies
Книга на выходные: как ChatGPT стал самым эффективным копирайтером «Зерокодера» Книга на выходные: как ChatGPT стал самым эффективным копирайтером «Зерокодера»

Отрывок из книги «Искусственный интеллект: путь к новому миру»

Inc.
За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению За 10 лет арктические дафнии не смогли приспособиться к потеплению

Почему особи бесполых дафний плохо переносят потепление

N+1
Оказывается, пассажиров с гипсом могут не пустить в самолет: вот что нужно знать Оказывается, пассажиров с гипсом могут не пустить в самолет: вот что нужно знать

С какими нюансами можно столкнуться в аэропорту, если быть с гипсом

ТехИнсайдер
Долой чужое мнение Долой чужое мнение

Как перестать зависеть от чужого мнения и начать жизнь по-своему?

Лиза
Нерабочий парашют и утечка ядовитого газа: 5 страшных космических катастроф Нерабочий парашют и утечка ядовитого газа: 5 страшных космических катастроф

5 крупных катастроф, когда-либо происходивших в космосе

ТехИнсайдер
И хочется, и колется И хочется, и колется

Совпадает ли наше мнение о косметологии с реальностью? Развеиваем мифы

Grazia
Пасха пришла! Пасха пришла!

Как правильно украсить дом и стол к главному христианскому празднику

Лиза
Как научиться принимать комплименты Как научиться принимать комплименты

Почему бывает трудно принимать комплименты и как с этим справиться

Inc.
Исследование показало что удовлетворенность жизнью имеет генетические корни Исследование показало что удовлетворенность жизнью имеет генетические корни

Черты личности и удовлетворенность жизнью в большей степени наследуются

Inc.
Генерируй, или проиграешь: искусственный интеллект задает темп чиновникам и бизнесу Генерируй, или проиграешь: искусственный интеллект задает темп чиновникам и бизнесу

Как искусственный интеллект облегчил жизнь и какие вызовы он поставил

ФедералПресс
Полина Бондарева Полина Бондарева

Полина Бондарева о том, как прописать в квартире искусство и инсталляции

Собака.ru
Открыть в приложении