Dlaczego pole magnetyczne Ziemi samo się odwraca?

Dlaczego pole magnetyczne Ziemi samo się odwraca?

Używamy kompasu, ponieważ stwierdziliśmy, że Ziemia zachowuje się jak olbrzymi magnes, z biegunem północnym w Kanadzie i biegunem południowym na Antarktydzie. Igła kompasu, będąca niewielkim magnesem, ustawia się w kierunku północ-południe, ponieważ oddziałuje na nią magnes ziemski. Nie wszyscy jednak wiedzą, że igły kompasu nie zawsze wskazywały północ.

Naukowcy dopiero w dwudziestym wieku zdali sobie sprawę z tego, dlaczego Ziemia od samego początku miała pole magnetyczne. Fizycy od długiego już czasu wiedzieli, że przepuszczenie prądu elektrycznego przez przewód wytwarza pole magnetyczne – jest to podstawowa zasada działania zarówno generatora prądu, jak i silnika elektrycznego. Pierwszym nasuwającym się przypuszczeniem było to, że być może obrót Ziemi wytwarza w jej wnętrzu prąd elektryczny i że ten prąd z kolei wytwarza pole magnetyczne. Lecz Ziemia jako całość nie ma ładunku elektrycznego, więc jej obrót nie da prądu elektrycznego.

Powszechnie dziś akceptowana teoria powstania ziemskiego pola magnetycznego dotyczy zachowania się ciekłego jądra planety. Około 3000 kilometrów pod naszymi stopami temperatura osiąga 6000 stopni Celsjusza (w przybliżeniu temperaturę powierzchni Słońca), a ciśnienie przekracza milion atmosfer. W tych warunkach żelazo i nikiel w jądrze znajdują się w stanie ciekłym. Głębiej, pod działaniem jeszcze większego ciśnienia, atomy są zgniecione razem, tworząc ciało stałe, lecz strefa wnętrza Ziemi grubości około 2500 kilometrów jest ciekła. Wyobraźmy ją sobie jako niespokojny, gotujący się, turbulentny ocean ograniczony od góry i z dołu przez ciało stałe, a będziemy mieć dość dobry jej wizerunek.

Jeżeli ciekły metal tego rodzaju obraca się w już istniejącym niewielkim polu magnetycznym, wówczas zaczynają w nim płynąć swobodne ładunki elektryczne (zarówno dodatnie, jak i ujemne), wytwarzając prąd elektryczny. Prąd ten będzie wzmacniał pole magnetyczne, które w związku z tym wytworzy silniejszy prąd, wzmacniający pole, i tak dalej. W ten sposób zostanie wzmocnione nawet mikroskopijne pole magnetyczne i większość naukowców sądzi teraz, że właśnie tak powstały pola magnetyczne Ziemi i Słońca. Ciała pozbawione ciekłego jądra (jak Księżyc czy Mars) nie powinny mieć (i nie mają) takiego pola.

Wszystko byłoby dobrze, z wyjątkiem pewnego, prawdę powiedziawszy zaskakującego faktu, że pole magnetyczne Ziemi nie zawsze wskazuje ten sam kierunek. Czasami, rzadko, zdaje się nagle odwracać. Zdarzały się takie okresy, gdy biegun północny był na Antarktydzie, a biegun południowy na Grenlandii lub w jej okolicy. Ostatni taki okres zakończył się około 750000 lat temu.

Skąd więc możemy wiedzieć, w którą stronę tak dawno temu kierowała się igła kompasu? Odpowiedź związana jest z faktem, że w historii Ziemi dość powszechnie następowały wypływy stopionych skał, jak w przypadku wybuchów wulkanów. Stopiona skała zawiera często drobne ziarenka rudy żelaza, a każde z nich może być traktowane jako mikroskopijna igiełka kompasu. W cieczy ziarenka te mają możność obracania się i takiego ustawienia, że wskazują kierunek, w jakim znajdował się biegun północny w czasie wypływu skały. Już na powierzchni ziemi skała krzepnie i orientacja ziarenek żelaza zostaje unieruchomiona w strukturze krystalicznej. Ziarenka te wskazują wówczas ciągle ten sam kierunek, niezależnie od tego, gdzie potem znajdował się biegun północny. Innymi słowy, skały „pamiętają”, gdzie był biegun północny, gdy się formowały. Badanie takich „wspomnień” stanowi główną część działu geologii zwanego paleomagnetyzmem.

W latach 60. i 70. naukowcy odkryli w starych skałach systematyczne prawidłowości w ułożeniu tych „kompasów”. Czasami ziarenka te wskazywały północ, czasami południe. To właśnie doprowadziło do wniosku, że ziemskie pole magnetyczne odwraca swój kierunek. Dziś udokumentowanych mamy ponad trzysta takich rewersji pola.

Bardzo trudno jest wyobrazić sobie, jak taki prosty model odwołujący się do obrotu ciekłego jądra mógłby wytłumaczyć takie zachowanie, zwłaszcza że momenty takich odwróceń zdają się występować nieregularnie. Zdarzają się długie okresy, w których w ogóle ich nie było, a po nich następują okresy szybkich rewersji.

Większość teorii usiłujących stanowić przynajmniej zaczątki wytłumaczenia odnosi się do pewnego typu ruchów turbulentnych w ciekłym jądrze – burz w wewnętrznym oceanie ziemskim. Idea ta bierze się stąd, że w każdym momencie pewne detale przepływu mogą umieszczać biegun północny w miejscu, gdzie jest teraz, a inne dążą do umieszczenia go na Antarktydzie. Obecne pole magnetyczne wynika z subtelnego wzajemnego oddziaływania pomiędzy tymi mechanizmami, bardzo niewielkie zmiany wytrącają układ z równowagi i prowadzą do odwrócenia biegunów. Takie teorie wydają się bardzo obiecujące, lecz moim zdaniem pytanie, dlaczego ziemskie pole magnetyczne się odwraca, pozostaje najważniejszym pytaniem bez odpowiedzi w naukach geologicznych.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *