Ця стаття була опублікована у 184-му номері журнала The Universe Space Tech. Її авторка — Тетяна Кошлякова, кандидатка геологічних наук, старша наукова співробітниця Інституту геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П. Семененка НАН України.
У творах письменників-фантастів часто можна зустріти різноманітні сценарії катастрофічних подій, пов’язаних із масштабними природними процесами: землетрусами, цунамі, виверженнями вулканів, повенями, падіннями астероїдів тощо. Ці явища вражають уяву та викликають страх перед нескореною силою природи. Однак ми не завжди замислюємося над тим, які потужні процеси перманентно відбуваються глибоко в надрах Землі та яким чином вони впливають на наше повсякденне життя.
Планета Земля є унікальним космічним тілом, оскільки має магнітне поле й атмосферу, що забезпечують необхідні умови для існування життя. І якщо ключова роль газової оболонки не викликає сумнівів, то наявність магнітосфери, на перший погляд, не має такого принципового значення. Проте ця думка є оманливою.
Нашу планету оточує магнітне поле, що існує з моменту її формування. Воно виникає завдяки обертанню розжареного зовнішнього ядра. Все, що знаходиться на Землі, перебуває під впливом його невидимих силових ліній. У першому наближенні магнітне (геомагнітне) поле — це диполь, полюси якого розташовані поруч із полюсами планети. Воно є різновидом електромагнітного поля, що створюється рухомими електричними зарядами чи струмами, та формує магнітосферу, яка відхиляє частинки сонячного вітру. Ці частинки накопичуються в радіаційних поясах Ван Аллена — двох тороїдальних областях навколо Землі. Поблизу магнітних поясів ці частинки можуть «залітати» в атмосферу та викликати появу полярних сяйв.
За сучасними уявленнями, виникнення геомагнітного поля відбулося приблизно 4,2 млрд років тому (для порівняння: вік Землі складає понад 4,55 млрд років) і було зумовлене джерелами, що знаходяться в рідкому зовнішньому ядрі всередині земної кулі (більш ніж на 90%) та навколоземному просторі (магнітосфері й іоносфері). Вчені вважають, що формування електромагнітного поля планети напряму залежить від температури її ядра. У Землі воно розігріте приблизно до 6000°C (як поверхня Сонця).
Як сформувалося земне ядро
Згідно з однією з найпоширеніших теорій, Сонячна система близько 4,5 млрд років тому складалася з хмари газів і холодних пилових частинок. На певному етапі вони почали колапсувати, гравітація об’єднала їх, утворивши величезний диск, що обертався. Його центр перетворився на Сонце, а матерія в його зовнішніх областях — на великі вогняні кулі з газу та розплавленої матерії, що поступово охолоджувались і конденсувалися.
Водночас поверхні новостворених планет піддавалися постійному бомбардуванню великими астероїдоподібними тілами, що під час зіткнення виділяли величезну кількість тепла і плавили космічний пил. Згодом, коли Земля вже була сформована, вона являла собою однорідну кулю з розжареної породи. Радіоактивний розпад підтримував високу температуру. Зрештою, приблизно через 500 млн років, планета нагрілася до точки плавлення заліза — 1538°С. Відносно легкоплавкі та леткі матеріали — такі, як силікати, вода, повітря — залишалися в межах зовнішньої частини Землі, утворивши ранню мантію та кору. Крапельки заліза, нікелю й інших важких металів тяжіли до центру, формуючи раннє ядро. Цей процес отримав назву «гравітаційна диференціація».
На початку формування планети її ядро було повністю розплавлене. Відтоді Земля поступово охолоджується, вивільняючи тепло у космос. У процесі застигання утворилося тверде внутрішнє ядро, яке продовжує збільшуватись у розмірах. Проте цей процес відбувається дуже повільно (внутрішнє ядро виростає приблизно на 1 мм за рік), оскільки між розжареним ядром і холодною поверхнею Земля має дуже щільну кам’янисту мантію, що заважає їй занадто швидко охолоджуватися.
Ядро розташоване на глибині 2900 км від земної поверхні. Воно має форму кулі радіусом близько 3500 км і складається з заліза з домішками інших елементів. Це найщільніша та найважча частина Землі (на неї припадає лише 15% її об’єму та 35% маси). Ядро має два шари — твердий внутрішній радіусом майже 1300 км і рідкий зовнішній (приблизно 2200 км). Внутрішнє ядро немовби «плаває» у зовнішньому рідкому шарі.
Варто зазначити, що наука знає про ядро Землі набагато менше, ніж про далекі зорі. Адже проникнути на такі глибини навіть за допомогою сучасних методів наразі неможливо. Зразки ядра недоступні, тому всю інформацію про нього отримують непрямими геофізичними та геохімічними методами.
Коли ядро повністю охолоне та стане твердим, це матиме величезний вплив на всю планету. Вчені вважають, що тоді Земля перетвориться на «другий Марс» майже без атмосфери та магнітного поля. Її зовнішній вигляд кардинально зміниться. Не буде більше землетрусів і вулканічних вивержень, припиниться рух тектонічних плит, що визначає рельєф поверхні. Під загрозою опиниться життя, адже геомагнітне поле створює у космосі майже нездоланний бар’єр, який не дає космічному випромінюванню досягати нашої планети (радіаційні пояси Ван Аллена). Його силові лінії відхиляють і захоплюють сонячний вітер, не дозволяючи йому позбавити Землю атмосфери. Без магнітного поля він знищить озоновий шар, що захищає життя від шкідливого ультрафіолетового випромінювання.
Як дізнатися, коли охолоне ядро Землі
Існують дві основні причини, чому земне ядро таке гаряче. Перша — тепло зберігається у ньому з часів утворення Землі. Друга — його розігріває розпад радіоактивних елементів. Учені поки точно не знають, у якому саме співвідношенні перебувають між собою ці джерела тепла.
Один зі способів точніше відповісти на це питання — ловити за допомогою спеціальних детекторів так звані геонейтрино. Це найлегші з відомих субатомних частинок, що вивільняються під час розпаду радіоактивних речовин у глибинах планети. Виявлення нейтрино й антинейтрино — вкрай складне завдання, оскільки вони дуже рідко та слабко реагують із матерією. Масивні нейтринні детектори розміром із невелику офісну будівлю розміщують на великій глибині (понад 600 м). Це пов’язано з необхідністю створити захист від космічних променів, що можуть призвести до помилкових спрацьовувань. У процесі роботи детектор виявляє антинейтрино під час їхніх зіткнень із атомами водню. При кожному зіткненні всередині пристрою спостерігаються два яскравих спалахи. Підрахувавши їхню частоту, вчені можуть визначити кількість атомів урану і торію, які залишилися всередині нашої планети.
Професор геології з Університету Меріленду Вільям Макдоно зазначає, що для точного розуміння радіоактивного випромінювання земного ядра потрібні дані принаймні за три роки від п’яти різних детекторів антинейтрино. У такий спосіб дослідники зможуть обчислити, який запас «радіоактивного палива» ще присутній у ядрі Землі. Сучасні гіпотези припускають, що його може вистачити на кілька десятків мільярдів років.
Що станеться раніше: охолодження ядра Землі чи згасання Сонця?
Термоядерні реакції, завдяки яким світить Сонце, відбуваються в його ядрі за температур понад 10 млн градусів за Цельсієм. У них витрачається водень, що становить більшу частину сонячної речовини. Його запасів вистачить ще на 5-6 млрд років, після чого наше світило згасне.
Як було сказано вище, земне ядро набагато холодніше — близько 6000°C. Теоретично за рахунок просочування тепла крізь мантію його температура повинна падати лише на один градус за 10 млн років або на 100°C за мільярд. Однак сучасні модельні розрахунки показали, що ядро Землі зараз втрачає тепло набагато повільніше, ніж це відбувалося в будь-який інший момент історії нашої планети, і цього тепла вистачить мінімум на мільярд років існування магнітного поля. Таке сповільнення процесу охолодження ядра обумовлене його підігріванням унаслідок розпаду радіоактивних елементів. Учені вважають, що до моменту згасання Сонця воно охолоне лише на кілька сотень градусів. Утім, навіть після цього наше світило (що на той момент стане білим карликом) буде набагато гарячішим, а його охолодження розтягнеться на сотні мільярдів років, тобто воно згасне раніше, але охолоне пізніше за земне ядро.
Марс теж мав магнітне поле?
Досліджуючи поверхню Марса, планетологи помітили характерні особливості, які можуть свідчити про вулканічну активність на цій планеті у далекому минулому. Це наштовхнуло їх на думку про те, що прадавній Марс міг мати розплавлене ядро та, відповідно, магнітне поле й атмосферу, як сучасна Земля. Існує гіпотеза, що навколо Червоної планети колись був свій пояс Ван Аллена, який захищав її від сонячного вітру. Та коли ядро застигло, вона втратила свій «щит». Деякі вчені припускають, що причиною втрати магнітного поля могла стати космічна подія — зіткнення з астероїдом.
Річ у тім, що на цій планеті було виявлено так звану дихтомію кори — скелі у північній півкулі значно тонкіше, ніж у південній. За даними американського орбітального зонда Mars Global Surveyor, замість єдиного магнітного поля на Марсі існує безліч локальних, іноді досить сильних магнітних аномалій. На карті вони виглядають як строката плямиста мозаїка. Особливо потужні аномалії виявлені у південній півкулі, в районі величезної западини Рівнина Еллади діаметром 600 км. Канадський астрофізик Сабін Стенлі з Університету Торонто припускає, що гігантський метеоритний удар на початку еволюції планети (близько 4 млрд років тому) міг зашкодити рідкому ядру та вплинути на магнітне поле. Раніше вважалося, що ядро Марса відносно швидко охололо через те, що він удвічі менший за Землю, але ця теорія була спростована нещодавнім відкриттям рідкого ядра у Меркурія, який має ще менший розмір.
Природа локальних магнітних аномалій на сусідній планеті лишається загадкою, оскільки їхня намагніченість є занадто високою для звичайних порід. За аналогією з Марсом на Землі також виявляються подібні аномалії (наприклад, у Східному Сибіру та Південній Африці). Вони пов’язані зі специфічним різновидом мінералів — стабільним маггемітом, який зустрічається в імпактних структурах. Цей мінерал являє собою магнітний оксид заліза (Fe₂O₃). Як відомо, забарвлені в червоний колір кори вивітрювання поширені лише на двох планетах Сонячної системи — на Землі та на Марсі. Останній називають Червоною планетою саме через те, що він укритий товстим шаром червоно-бурих оксидів і гідроксидів заліза у формі піску та пилу. Однак ці мінерали — магнітні. Цілком імовірно, що утворення марсіанського маггеміту спричинив удар космічного тіла.
Такі аналогії між планетами дають підстави розглядати Марс як модель Землі у далекому майбутньому. Стрімкий розвиток сучасних технологій стимулює появу амбітних цілей у напрямку колонізації інших тіл Сонячної системи. Хоча всі плани щодо створення поселень на Червоній планеті поки існують виключно в теорії, саме дослідження земного ядра може стати ключем до розуміння природи магнітного поля, що є необхідним елементом для забезпечення умов існування живих організмів.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
