Geodynamo – armagedon z nitra Země?

09.03.2012 15:38

 

Geodynamo – armagedon z nitra Země? Tisk E-mail
Úterý, 23 listopad 2004
TN_1c.JPGMagnetické pole Země je zhruba vyrovnáno s osou zemské rotace. Má severní a jižní magnetický pól a říkáme tak, že má dipólový charakter, tedy obdobný magnetickému poli tyčového magnetu. To je normální stav, který takto převládá po většinu geologické historie Země. Jenže v určitých nepravidelných intervalech dochází k narušení tohoto stavu. Magnetické pole zeslábne a v průběhu několika tisíc let změní svou polaritu. Měření provedená během posledního století naznačují, že naše magnetické pole slábne. Přichází elektromagnetický armagedon?

Einsteinova záhada
Najít časové období změn a popsat přechody polarity magnetického pole Země se pokoušeli již vědci na počátku dvacátého století. A nebrali tuto situaci na lehkou váhu. Albert Einstein se dokonce nechal slyšet, že jedna z nejdůležitějších fyzikálních záhad leží právě okolo magnetického pole Země. A jak se s touto záhadou vypořádali vědci za těch uplynulých sto let? Záhada bohužel stále zůstává nevyřešena.

Do dnešního dne tedy stále neexistuje ten správný a přesný model, který by vysvětlil proč má magnetické pole právě takovou intenzitu jakou má, proč má tak silně dipólově dominující strukturu a osu tohoto dipólu tak blízko rotační ose Země. A stejně tak bohužel není úplně zřejmé, proč zemské pole podstupuje jednou za pár stovek tisíc let změnu své dipólové struktury do multipólových, proč klesá jeho intenzita a dokonce v takových případech mění svou polaritu.

Určitý pokrok však přinesly před několika roky počítačové simulace vědců z Kalifornské univerzity. Glatzmaierův-Robertsův model dokázal zhruba nasimulovat jak situaci okolo zemského jádra, tak i změnu magnetické polarity. Vstupní informace nasbírali vědci z vrtů do geologického podloží, kde je záznam o magnetických pochodech v geologické minulosti pečlivě uchován. Při tuhnutí sopečných proudů obvykle dochází k zachování orientace magnetického pole a tak máme k dispozici perfektní kalendář geomagnetických změn.

Zvláštní výzkum byl uskutečněn za dozoru americké National Science Foundation a část těchto výsledků byla letos také publikována. Máme tak hrubý náčrt toho, co nás možná v následujících staletích čeká.

Cesta do nitra Země
Stále převládá názor, že magnetické pole je dílem mechanizmu, který by se dal nazývat zemské dynamo anebo geodynamo. Jedná se o kombinaci vedení tepla, chladnutí a vytváření slitin v kombinaci s působením Coriolisovy síly, to vše v oblasti sousedící pevnému zemskému jádru, která je oproti jádru tekutá. Pevná vnitřní část jádra je veliká zhruba jako náš Měsíc a má teplotu zhruba jako povrch Slunce, vnější má naopak tekutý charakter. Tato oblast je složena především ze železa a příměsí niklu. V hraniční oblasti mezi pevným zemským jádrem a jeho tekutou vnější částí dochází ke chladnutí železa, vytváření malého zastoupení slitin a uvolňování tepla to vnější vrstvy. Teplo je radiálně uvolňováno (vedeno) do vyšších vrstev avšak díky rotaci Země na něj působí Coriolisova síla, která tyto proudy stáčí. Může tak vznikat dipólově orientované magnetické pole. Na základě této hypotézy byl právě sestaven Glatzmaierův-Robertsův model a díky němu je možno nahlédnout pod jednu z možných pokliček změny polarity magnetického pole Země.

Překlopení magnetických pólů
Zda je před námi překlopení magnetických pólů nevíme. Stejně tak nevím, zda pozorované slábnutí magnetického pole Země bude záležitostí dlouhodobou anebo je součástí nějakých nepravidelných změn. Vědci zabývající se fyzikou zemského jádra cestu hledají usilovně avšak jedinou dnes použitelnou metodou výzkumu je průzkum lávových usazenin, které odpovídají časově jednotlivým dobám přepólování anebo ve výzkumu hornin obecně, zahrnující vývoj magnetického pole Země v dlouhodobějších škálách.

Překlápění magnetických pólů Země je pečlivě dokumentováno do minulosti vzdálené 330 miliónů let. Průměrná doba mezi jednotlivými změnami polarity trvá zhruba 200 tisíc let a k poslední reverzitě došlo před 780 tisíci lety. Nová změna polarity je tedy ze statistického hlediska na spadnutí. Skutečnost však může být jiná. V geologické historii převládá velmi silně doba mezi reverzitou okolo 100 až 200 tisíc let, avšak byly zaznamenány doby delší než několik miliónů let. Mechanizmus ani příčina známa není. Takže stále nemůžeme mít jasno.

Co se stane během přepólování?
Těžko soudit zda naštěstí anebo naneštěstí, změna polarity je z geologického hlediska velmi rychlou záležitostí. V porovnání s délkou lidské generace je to však proces trvající věky. Reverzitu podstupuje Země po dobu od 1 do 20 tisíc let, což je příliš málo na bezpečné rozlišitelné usazení informace v horninách. Nemůžeme tak stále bezpečně tyto procesy popsat a předvídat. Z hlediska délky lidského života však bude zásadní změnou pro člověka a jeho budoucí ekosystém na příliš dlouhou dobu.

Na otázku jak změna polarity probíhá nám dokáže s určitou pravděpodobností odpovědět Glatzmaierův-Robertsův model. Vzhledem ke změnám v tekuté části zemského jádra dojde k chaotickým změnám intenzity magnetického pole. Vznikající elektrické a magnetické toky budou mít více směrů a zdrojů. Země ztratí svůj dominující dipólový moment a začne se chovat multipólově. Bude mít tedy vícé severních a jižních pólů, ovšem o poznání slabších. Nynější hypotézy ukazují na zeslábnutí magnetického pole na pouhou jednu desetinu. Země přijde o svou magnetickou ochranu před elektromagnetickým zářením a nabitými částicemi ze Slunce. Stěhovaví ptáci se nebudou v tazích orientovat a zmatek zasáhne i další živočišné druhy závislé na pozici magnetických pólů a intenzitě geomagnetického pole. Většina technologií přestane být použitelná.

Chaos a armagedon? Možná ne.
Vzhledem k pomalému příchodu situace, kdy vznikají nové magnetické póly a slábne celkové magnetické pole je pravděpodobné, že lidstvo najde možnost jak se slábnoucím polem žít a jak se chránit před stále nebezpečnější oblohou. V porovnání s trváním vědecko-technické revoluce je to nesmírně dlouhá doba. Jisté však je, že si nemůžeme být jisti, že na zhoubné kosmické záření prevenci najdeme. A jisté také je, že taková událost výrazně naruší naši přírodu. Období ve kterém žijeme si zakládá většinu své existence na technologiích využívajících elektromagnetickou interakci. A právě tato technologie bude muset doznat podstatné změny.


***

TN_1a.JPG 

Glatzmaierův-Robertsův model
Jedním z úžasných vlastností tohoto modelu je výsledek v podobě trojrozměrné simulace překlápění magnetických pólů. Tento model běží na paralelně zapojených superpočítačích Pittsburského superpočítačového centra a Los Alamos National Laboratory. Za dobu existence nasimulovalo 300 tisíc let vývoje geodynama.Simulované magnetické pole má stejné vlastnosti jako zemské, stejnou intenzitu i stejný drift magnetických pólů (0,2°/rok). Na prvním obrázku je nenarušená struktura magnetického pole na ostatních je zaznamenán průběh změny po 500 letech. Zatímco změna magnetického pole v tekuté oblasti by mohla trvat několik týdnů, trvá celková změna staletí až tisíce let. Změna polarity pole železného netekutého jádra tuto polaritu brzdí a chaotizuje její účinky.
***

***

TN_2b.JPG 

Pohyb magnetického pole Země
Pohyb magnetických pólů je záležitostí historicky dlouhodobě známou. První naměřil polohu severního magnetického pole v roce 1831 polární badatel James Clark Ross. Jeho poloha však nesouhlasila se severním geografickým pólem. Magnetický pól se nacházel na severu Kanady. Další měření uskutečnil Roald Amundsen v roce 1904. Za 70 let se pól posunul o pouhých 50 km. Jeho dnešní pohyb již je zhruba 40 km za rok. Za posledních 100 let se severní magnetický pól posunul asi o 1 100 km. Pokud by tento zrychlený pohyb vydržel, potom zhruba za 50 let překoná Severní ledový oceán a dostane se na Sibiř. Všechny tyto pohyby jsou ale interpolované. Severní magnetický pól totiž koná také denní pohyb, který je velmi významný. Pól se totiž v denním režimu pohybuje okolo bodu s poloměrem zhruba 40km!