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

Загадка Дарвинского заповедника Загадка Дарвинского заповедника

Могли ли против правил писать и в методической литературе?

Наука и жизнь
Крупным планом: что происходит с отечественным кинорынком Крупным планом: что происходит с отечественным кинорынком

Какое кино сейчас интересно зрителям в России?

Inc.
Кентавр из моря Кентавр из моря

Может ли кентавр существовать с точки зрения биологии?

Вокруг света
Гений, садовник и киноман: 10 эпизодов из биографии Кодзимы Гений, садовник и киноман: 10 эпизодов из биографии Кодзимы

Что вы знаете о Хидео Кодзиме?

Правила жизни
Гибель «Титаника»: русское эхо трагедии Гибель «Титаника»: русское эхо трагедии

Как гибель «Титаника» отразилась на русских прессе и обществе?

Дилетант
Биология эльфов Биология эльфов

Чем эльфам пришлось бы «пожертвовать» в обмен на вечную жизнь?

Вокруг света
Нехимические зависимости: что это такое, как их распознать и победить Нехимические зависимости: что это такое, как их распознать и победить

Вы просыпаетесь и сразу тянетесь к телефону?

Maxim
Жизнь без гаджетов Жизнь без гаджетов

Как прекратить сидеть в телефоне: 9 шагов к цифровой свободе

Лиза
Взять кредит и подумать Взять кредит и подумать

Банки будут выдавать кредиты от 50 000 рублей с «периодом охлаждения»

Ведомости
Цветовые ошибки: как один оттенок способен испортить весь интерьер Цветовые ошибки: как один оттенок способен испортить весь интерьер

Какие ошибки в выборе цвета стен способны испортить весь интерьер?

VOICE
Позитивные вибрации: плюсы и минусы дизельной модификации пикапа JAC T9 Позитивные вибрации: плюсы и минусы дизельной модификации пикапа JAC T9

JAC T9: настоящие внедорожники еще выпускают

ТехИнсайдер
Академик Петр Чумаков: вирусы позволяют увидеть раковые клетки и сформировать иммунный ответ Академик Петр Чумаков: вирусы позволяют увидеть раковые клетки и сформировать иммунный ответ

Вирусы дают надежду в лечении самых злокачественных видов рака

Наука
Ксения Хаирова Ксения Хаирова

О Валентине Талызиной, актрисе поистине уникальной

Караван историй
Одежда и надежды Одежда и надежды

Красивые книги о моде

Weekend
Обратная сторона Обратная сторона

Каковы скрытые риски косметических процедур?

Лиза
Пища для ума и тела: что такое буддийская диета Пища для ума и тела: что такое буддийская диета

Буддийская диета: когда еда должна не только насыщать

Лиза
Что скрывается за модным словом «роялти» ? Что скрывается за модным словом «роялти» ?

Пассивный доход на интеллектуальной собственности: как работает роялти?

Наука и техника
Аватарно‑денежные отношения Аватарно‑денежные отношения

Как внутриигровые товары стали предметом гордости и обрели реальную стоимость

Эксперт
В полный голос В полный голос

Что же сообщает о нас голос и как жить в согласии с ним?

Psychologies
Искусство звучания Искусство звучания

Узнать свой голос и развить его силу помогут телесные и дыхательные упражнения

Psychologies
Ткань авангарда Ткань авангарда

История и современность Иваново — пестрая как ситец и эклектичная как пэчворк

Weekend
Микробиологи разобрались в ферментации элитных какао-бобов Микробиологи разобрались в ферментации элитных какао-бобов

Исследователи описали состав микроорганизмов, участвующих в ферментации какао

N+1
Китайцам включили зеленый Китайцам включили зеленый

Китайским автопроизводителям упростили выход на российский рынок

Ведомости
Вопрос психологу: почему после ярких событий мы чувствуем пустоту и как выбраться из «серотониновой ямы» Вопрос психологу: почему после ярких событий мы чувствуем пустоту и как выбраться из «серотониновой ямы»

Почему после праздника становится грустно и как вернуться в ресурс?

Правила жизни
Посильнее фикшена и Гёте Посильнее фикшена и Гёте

Что стало с теми, кто был рядом с Анной Франк и кто такие ковбои

Weekend
Целиком и полностью: гид по творчеству Луки Гуаданьино Целиком и полностью: гид по творчеству Луки Гуаданьино

Творческий путь Луки Гуаданьино: о главных его работах

Правила жизни
Напиши мне, напиши: как сервисы e-mail будут бороться с мессенджерами Напиши мне, напиши: как сервисы e-mail будут бороться с мессенджерами

Как сервисы электронной почты будут удерживать пользователей?

Forbes
На пороге больших перемен На пороге больших перемен

Россия встраивается в новую цифровую реальность

Эксперт
«Рапунцель» и «Румпельштильцхен»: как сказочницы сочиняли совсем не детские истории «Рапунцель» и «Румпельштильцхен»: как сказочницы сочиняли совсем не детские истории

О шести сказочницах, которые говорили о женской судьбе

Forbes
Анафилаксию при пищевой аллергии у мышей объяснили наследственностью Анафилаксию при пищевой аллергии у мышей объяснили наследственностью

Ученые разобрались в природе анафилактического шока при пищевой аллергии

N+1
Открыть в приложении