Žemės magnetinį lauką maitinantis paradoksas

Tai tylusis Žemės gynėjas. Be jo, nuolatinė elektringų dalelių kruša bombarduotų mūsų planetos atmosferą, keisdama jos chemiją ir trikdydama mūsų elektronikos infrastruktūrą – jei iš viso būtų ką trikdyti. Žemės kūdikystėje mūsų sargybinis galėjo apsaugoti planetą gaubiantį dujų burbulą, kad Saulės vėjas jo nenupūstų į kosmosą, ir taip sudarė sąlygas atsirasti gyvybei, o galiausiai ir protingai gyvybei.

Šis tylusis Žemės sargybinis yra magnetinis laukas, jėgos laukas, kylantis iš planetos branduolį sudarančių skystos geležies srovių. Šiuo skysčiu tekantys elektronai kuria elektros srovę, kuri savo ruožtu kuria magnetinį lauką. Branduolys yra milžiniškas, save palaikantis elektromagnetas: dinama.

Taip bendrais bruožais buvo įsivaizduojama ne vieną dešimtmetį. Tačiau per kelis pastaruosius metus toks paaiškinimas susidūrė su problema. Daugėja įrodymų, kad dinama galėjo atsirasti tik santykiniai neseniai. Tuo pačiu metu geologiniai duomenys rodo, kad magnetinis laukas egzistavo didžiąją 4,5 mlrd metų Žemės istorijos dalį. Šis nesutapimas – senovinis magnetinis laukas be ko nors, kas galėjo jį kurti – verčia permąstyti mūsų planetos vidinį gyvenimą.

Atsiprašome Žiulio Verno, tačiau į Žemės centrą tikriausiai niekada nenukeliausime. Mūsų planetos branduolys – velnioniškai karštas, kaip Saulės paviršius, o slėgis ten kelis milijonus kartų viršija esantį jūros lygyje. Tačiau tokios kliūtys nenumaldė mūsų smalsumo ir atvėrėme langelį į jį. Seisminės bangos, kompiuterinis modeliavimas ir laboratoriniai eksperimentai, atkartojantys ekstremalias branduolio sąlygas, suteikia ganėtinai aiškų giliausių Žemės gelmių paveikslą.

Šis paveikslas rodo, kad iš pradžių mūsų planeta buvo karštas konglomeratas mažesnių uolų ir nuolaužų, sugaudytų iš ankstyvosios Saulės sistemos. Geležis, tankiausias naujagimės planetos elementas, pamažu grimzdo į centrą, kur aukšta temperatūra jį išlydė. Paskui įsijungė terminė konvekcija – tas pats procesas vyksta verdančiame puode. Vėsesnė, tankesnė geležis išoriniame branduolio sluoksnyje grimzdo, lengvesnės medžiagos kilo, ir taip sukurtas dinamos efektas.

Tada prasidėjo smulkūs nemalonumai. Kažkuriuo metu Žemė atvėso pakankamai, kad dalis išsilydžiusios branduolio geležies sukietėtų. Dėl didžiulio slėgio, branduolys pradėjo kietėti iš vidaus. Dauguma skaičiavimų nurodo, kad šis procesas prasidėjo maždaug prieš milijardą metų. Šiais laikais vidinis branduolys yra kietas, maždaug 1200 kilometrų spindulio geležies rutulys, kuris, Žemei vėstant, vis didėja. Jį supa 2000 kilometrų storio skystos geležies, susimaišiusios su šiek tiek nikelio ir įvairiais lengvesniais elementais, tokiais kaip siera ir deguonis, sluoksnis.

Laimei, šis stingimas sukėlė kitą efektą, palaikantį magnetinės dinamos veikimą. Augantis vidinis branduolys išskiria lengvesnius elementus. Tas pats vyksta, užšąlant sūriam vandeniui. Druska netelpa į ledo kristalo struktūrą ir išstumiama – lieka gėlo vandens ledas ir itin sūrus vanduo. Panašiai ir Žemės viduje, kietą vidinį branduolį sudaro praktiškai gryna geležis, apsupta išsilydžiusios geležies, kurioje priemaišų koncentracija didesnė. Priemaišos sumažina skystos geležies tankį, tad šis, arčiausiai vidinio branduolio esantis, lengvesnis lydalas kyla, o tankesnė, daugiau geležies turinti medžiaga leidžiasi. Taip dėl vadinamosios kompozicinės konvekcijos išoriniame branduolyje vyksta judėjimas.

Supurtyti, neplakti

Taigi, vienaip ar kitaip, dinama sukosi didžiąją Žemės istorijos dalį. Bet čia magnetinis pasakojimas daro staigų posūkį. Pastaruosius keletą metų tyrėjams kilo abejonių, ar pirmoji istorijos dalis, terminė konvekcija, iš viso galėjo vykti – ir, jeigu vyko, ar jos būtų pakakę magnetinio lauko formavimui. „Jei norime remtis vien termine konvekcija, tada kyla bėdos,“ sako Davidas Stevensonas iš Kalifornijos technologijos universiteto.

„Prieš penketą metų visi manė žinantys atsakymą.“

Bėdų kelia karščio sklidimas. Kad vyktų konvekcija, reikia skirtingos temperatūros sluoksnių: verdančio vandens puode dugnas karštesnis už viršų. Tai gali būti tik todėl, kad vanduo nelabai geras šilumos laidininkas. Laidumas greitai sulygina medžiagos temperatūrą ir konvekcija vykti negali. O Žemės branduolio medžiaga šiuo klausimu vilčių nepateisina. „Daugėja įrodymų, kad branduolio šiluminis laidumas didesnis, nei manėme,“ sako Peteris Olsonas iš Johns Hopkins universiteto Baltimorėje, Marylando valstijoje. Šis rezultatas atnaujino kontroversiją, pažymi Francis Nimmo iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze. „Prieš penketą metų visi manė žinantys atsakymą.“