Эта статья была опубликована в 184-м номере журнала The Universe Space Tech.
Ее автор — Татьяна Кошлякова, кандидат геологических наук, старшая научная сотрудница Института геохимии, минералогии и рудообразования им. М.П. Семененки НАН Украины.
В произведениях писателей-фантастов часто можно встретить разнообразные сценарии катастрофических событий, связанных с масштабными естественными процессами: землетрясениями, цунами, извержениями вулканов, наводнениями, падениями астероидов и т.д. Эти явления поражают воображение и вызывают ужас перед неукротимой силой природы. Однако мы не всегда задумываемся над тем, какие мощные процессы перманентно происходят глубоко в недрах Земли и как они влияют на нашу повседневную жизнь.
Планета Земля является уникальным космическим телом, поскольку имеет магнитное поле и атмосферу, обеспечивающие необходимые условия для существования жизни. И если ключевая роль газовой оболочки не вызывает сомнений, то наличие магнитосферы на первый взгляд не имеет такого принципиального значения. Однако это мнение обманчиво.
Нашу планету окружает магнитное поле, существующее с момента ее формирования. Оно возникает благодаря вращению раскаленного внешнего ядра. Все, что находится на Земле, подвержено влиянию его невидимых силовых линий. В первом приближении магнитное (геомагнитное) поле — это диполь, полюса которого расположены рядом с полюсами планеты. Оно представляет собой разновидность электромагнитного поля, создаваемого подвижными электрическими зарядами либо токами, и формирует магнитосферу, отклоняющую частицы солнечного ветра. Эти частицы накапливаются в радиационных поясах Ван Аллена — двух тороидальных областях вокруг Земли. Вблизи магнитных поясов эти частицы могут «залетать» в атмосферу и вызвать появление полярных сияний.
По современным представлениям, возникновение геомагнитного поля произошло примерно 4,2 млрд лет назад (для сравнения: возраст Земли составляет более 4,55 млрд лет) и было обусловлено источниками, находящимися в жидком внешнем ядре внутри земного шара (более чем на 90%), а также в околоземном пространстве (магнитосфере и ионосфере). Ученые считают, что формирование электромагнитного поля планеты напрямую зависит от температуры ее ядра. У Земли оно разогрето примерно до 6000°C (как поверхность Солнца).
Как сформировалось земное ядро
Согласно одной из наиболее распространенных теорий, Солнечная система около 4,5 млрд лет назад состояла из облака газов и холодных пылевых частиц. На определенном этапе они начали коллапсировать, гравитация объединила их, образовав огромный вращающийся диск. Его центр превратился в Солнце, а материя в его внешних областях — в большие огненные шары из газа и расплавленной материи, которые постепенно охлаждались и конденсировались.
В то же время поверхности новообразованных планет подвергались постоянной бомбардировке крупными астероидоподобными телами, выделявшими при столкновениях огромное количество тепла и расплавлявшими космическую пыль. Позже, когда Земля уже была сформирована, она представляла собой однородный шар из раскаленной породы. Радиоактивный распад поддерживал высокую температуру. В конце концов, примерно через 500 млн лет планета нагрелась до точки плавления железа — 1538°С. Относительно легкоплавкие и летучие материалы — такие, как силикаты, вода, воздух — оставались в пределах внешней части Земли, образовав раннюю мантию и кору. Капельки железа, никеля и других тяжелых металлов тяготели к центру, формируя раннее ядро. Этот процесс получил название «гравитационная дифференциация».
В начале формирования планеты ее ядро было полностью расплавленным. С этого времени Земля постепенно охлаждается, высвобождая тепло в космос. В процессе застывания образовалось твердое внутреннее ядро, которое продолжает расти в размерах. Однако этот процесс происходит очень медленно (внутреннее ядро увеличивается примерно на 1 мм в год), поскольку между раскаленным ядром и холодной поверхностью Земля имеет очень плотную каменистую мантию, мешающую ей слишком быстро остывать.
Ядро находится на глубине 2900 км от земной поверхности. Оно имеет форму шара радиусом около 3500 км и состоит из железа с примесями других элементов. Это самая плотная и тяжелая часть Земли (на нее приходится всего 15% ее объема и 35% массы). Ядро имеет два слоя — твердый внутренний радиусом почти 1300 км и жидкий наружный (примерно 2200 км). Внутреннее ядро словно «плавает» во внешнем жидком слое.
Стоит отметить, что наука знает про ядро Земли намного меньше, чем про далекие звезды. Ведь проникнуть на такие глубины даже с помощью современных методов невозможно. Образцы ядра недоступны, поэтому всю информацию о нем получают косвенными геофизическими и геохимическими методами.
Когда ядро полностью остынет и затвердеет, это будет иметь огромное влияние на всю планету. Ученые считают, что тогда Земля превратится во «второй Марс» почти без атмосферы и магнитного поля. Ее внешний вид кардинально изменится. Не будет больше землетрясений и вулканических извержений, прекратится движение тектонических плит, определяющее рельеф поверхности. Под угрозой окажется жизнь, ведь геомагнитное поле создает в космосе почти непреодолимый барьер, не дающий космическому излучению достигать нашей планеты (радиационные пояса Ван Аллена). Его силовые линии отклоняют и захватывают солнечный ветер, не позволяя ему лишить Землю атмосферы. Без магнитного поля он уничтожит озоновый слой, защищающий жизнь от вредного ультрафиолетового излучения.
Как узнать, когда остынет ядро Земли
Существуют две основные причины, почему земное ядро такое горячее. Первая — тепло сохраняется в нем со времен образования Земли. Вторая — его разогревает распад радиоактивных элементов. Ученые пока точно не знают, в каком именно соотношении находятся между собой эти источники тепла.
Один из способов точнее ответить на этот вопрос — улавливать с помощью специальных детекторов так называемые геонейтрино. Это самые легкие из известных субатомных частиц, высвобождающиеся при распаде радиоактивных веществ в глубинах планеты. Выявление нейтрино и антинейтрино — крайне сложная задача, поскольку они очень редко и слабо взаимодействуют с материей. Массивные нейтринные детекторы размером с небольшое офисное здание размещают на большой глубине (свыше 600 м). Это связано с необходимостью создать защиту от космических лучей, которые могут привести к ошибочным срабатываниям. В процессе работы детектор обнаруживает антинейтрино во время столкновений с атомами водорода. При каждом столкновении внутри устройства наблюдаются две яркие вспышки. Подсчитав их частоту, ученые могут определить количество атомов урана и тория, оставшихся внутри нашей планеты.
Профессор геологии из Университета Мэриленда Уильям Макдоно отмечает, что для точного понимания радиоактивного излучения земного ядра требуются данные как минимум за три года от пяти различных детекторов антинейтрино. Таким способом исследователи смогут вычислить, какой запас «радиоактивного топлива» еще присутствует в ядре Земли. Современные гипотезы предполагают, что его может хватить на несколько десятков миллиардов лет.
Что случится раньше: остывание ядра Земли или угасание Солнца?
Термоядерные реакции, благодаря которым светит Солнце, происходят в его ядре при температуре более 10 млн градусов по Цельсию. В них расходуется водород, составляющий большую часть солнечного вещества. Его запасов хватит еще на 5-6 млрд лет, после чего наше светило погаснет.
Как было сказано выше, земное ядро гораздо холоднее — около 6000°C. Теоретически за счет утечки тепла сквозь мантию его температура должна падать всего на один градус за 10 млн лет или на 100°C за миллиард. Однако современные модельные расчеты показали, что ядро Земли сейчас теряет тепло гораздо медленнее, чем это происходило в любой другой момент истории нашей планеты, и этого тепла хватит минимум на миллиард лет существования магнитного поля. Такое замедление процесса охлаждения ядра обусловлено его подогревом вследствие распада радиоактивных элементов. Ученые считают, что к моменту затухания Солнца оно остынет всего на несколько сотен градусов. Впрочем, даже после этого наше светило (которое к тому моменту станет белым карликом) будет гораздо горячее, а его охлаждение растянется на сотни миллиардов лет, то есть оно погаснет раньше, но остынет позже, чем земное ядро.
Марс тоже имел магнитное поле?
Исследуя поверхность Марса, планетологи заметили характерные особенности, которые могут свидетельствовать о вулканической активности на этой планете в далеком прошлом. Это натолкнуло их на мысль о том, что древний Марс мог иметь расплавленное ядро и, соответственно, магнитное поле и атмосферу, как нынешняя Земля. Существует гипотеза, что вокруг Красной планеты когда-то был свой пояс Ван Аллена, защищавший ее от солнечного ветра. Но когда ядро застыло, она потеряла свой щит. Часть ученых предполагает, что причиной потери магнитного поля могло стать космическое событие — столкновение с астероидом.
Дело в том, что на этой планете была обнаружена так называемая дихтомия коры — скалы в северном полушарии значительно тоньше, чем в южном. По данным американского орбитального зонда Mars Global Surveyor, вместо единого магнитного поля на Марсе существует множество локальных, иногда достаточно сильных магнитных аномалий. На карте они выглядят как пестрая пятнистая мозаика. Особенно мощные аномалии обнаружены в южном полушарии, в районе огромной впадины Равнина Эллады диаметром 600 км. Канадский астрофизик Сабин Стэнли из Университета Торонто предполагает, что гигантский метеоритный удар в начале эволюции планеты (около 4 млрд лет назад) мог повредить жидкому ядру и повлиять на магнитное поле. Ранее считалось, что ядро Марса относительно быстро остыло из-за того, что он вдвое меньше Земли, но эта теория была опровергнута недавним открытием жидкого ядра у Меркурия, имеющего еще меньший размер.
Природа локальных магнитных аномалий на соседней планете остается загадкой, поскольку их намагниченность слишком высока для обычных пород. По аналогии с Марсом на Земле также обнаруживаются подобные аномалии (например, в Восточной Сибири и Южной Африке). Они связаны со специфической разновидностью минералов — стабильным маггемитом, встречающимся в импактных структурах. Этот минерал представляет собой магнитный оксид железа (Fe₂O₃). Как известно, окрашенная в красный цвет кора выветривания распространена только на двух планетах Солнечной системы — на Земле и на Марсе. Последний называют Красной планетой именно потому, что он покрыт толстым слоем красно-бурых оксидов и гидроксидов железа в форме песка и пыли. Однако эти минералы — магнитные. Вполне вероятно, что причиной образования марсианского маггемита стал удар космического тела.
Такие аналогии между планетами дают основания рассматривать Марс как модель Земли в далеком будущем. Стремительное развитие современных технологий стимулирует появление амбициозных целей в направлении колонизации других тел Солнечной системы. Хотя все планы создания поселений на Красной планете пока существуют исключительно в теории, само исследование земного ядра может стать ключом к пониманию природы магнитного поля, являющегося необходимым элементом для обеспечения условий существования живых организмов.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine
