Без магнитного поля Земли мигрирующие животные теряют свой путь, и навигация по всему - от кораблей до бойскаутов - становится бесполезной. Но, несмотря на свою важность, процесс, который питает магнитное поле планеты, остается загадкой. Идеи имеются в большом количестве, но ни одна из них не может объяснить возраст магнитного поля Земли. Теперь новое исследование может иметь ключ к этому несоответствию: скромный магний.
Связанный контент
- Магнитное поле Земли, по крайней мере, четыре миллиарда лет
- Земля могла стать магнитной после употребления ртутного объекта
Возбуждение расплавленного ядра Земли генерирует электрические токи, которые создают магнитное поле планеты в процессе, называемом динамо.
«Если бы у вас не было этих движений взбалтывания, магнитное поле Земли ослабло бы, и оно умрет примерно через десять миллионов лет», - говорит Джозеф О'Рурк, научный сотрудник Калифорнийского технологического института в Пасадене.
Но что движет этим движением, неясно. Медленное затвердевание внутреннего ядра Земли и радиоактивный распад - две из главных гипотез - не производят достаточно энергии для питания магнитного поля, пока оно существует.
Горные записи показывают, что магнитное поле Земли имеет возраст не менее 3, 4 млрд. Лет, а возможно, и 4, 2 млрд. Лет. Охлаждение внутреннего ядра обеспечило бы магнитному полю только энергию на миллиарды лет. И в ядре Земли недостаточно радиоактивного материала, чтобы сработала гипотеза распада, говорит Фрэнсис Ниммо, ученый-планетолог из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature, О'Рурк и Дэвид Стивенсон, планетолог из Калифорнийского технологического института, предлагают новый химический механизм для настройки различий плавучести в недрах Земли для управления геодинамикой.
Используя компьютерные модели, пара показала, что после гигантских ударов, которые бомбардировали раннюю Землю, небольшое количество магния могло раствориться в богатом железом ядре.
«Земля образовалась в результате очень сильных, гигантских столкновений, которые могли нагреть мантию до температур до 7000 Кельвинов (12 140 градусов по Фаренгейту)», - говорит О'Рурк. «При таких температурах элементы, которые обычно не смешиваются с железом, такие как магний, перейдут в железо».
Но поскольку магний растворим в железе только при высоких температурах, так как ядро Земли охлаждается, магний будет осаждаться или «выпадать» из внешнего ядра в виде богатых магнием сплавов. Эти сплавы транспортируются до границы ядро-мантия.
«Когда вы вытаскиваете из сердечника богатый магнием сплав, то, что осталось, становится плотнее», - говорит О'Рурк. Он объясняет, что концентрирующаяся масса высвобождает гравитационную энергию, которая может служить альтернативным источником энергии для динамо.
По словам О'Рурка и Стивенсона, их механизм осаждения магния мог приводить в действие геодинамику в течение миллиардов лет, пока внутреннее ядро не начало охлаждаться и затвердевать, что, согласно нынешним оценкам, произошло около миллиарда лет назад. В этот момент эти два процесса могли начать работать в тандеме для питания магнитного поля Земли, говорит О'Рурк.
«Осаждение магния может вызвать конвекцию [железа] с верхней части сердечника, тогда как высвобождение легких элементов из внутреннего ядра [от затвердевания] может привести к конвекции с нижней части», - говорит он.
Исследователь планет Ниммо, который не участвовал в исследовании, говорит, что ему нравится гипотеза осаждения магния, потому что он делает только два предположения: что Земля нагревается при гигантском ударе, и что во время гигантского удара металлическое ядро ударного элемента подвергается воздействию силикатировать мантийный материал.
«С предположением трудно спорить, хотя точно, насколько жарко, неясно», - говорит Ниммо. Предположение два немного менее надежно, говорит он, но большинство ученых согласны с тем, что, когда скалистые тела сталкивались с ранней Землей, некоторые элементы от этих ударных элементов, такие как магний, могли попасть в мантию. «Как только вы сделаете эти два предположения, все остальное следует естественным образом».
Теперь, говорит Ниммо, все, что нам нужно, это эксперименты, чтобы проверить идеи О'Рурка и Стивенсона. «Их исследование основано главным образом на компьютерных предсказаниях того, как магний должен распределяться в зависимости от температуры», - говорит Ниммо.
Некоторые исследователи уже работают над этими экспериментами, так что это может быть только вопросом времени, прежде чем ученые сосредоточатся на том, что заставляет магнитное поле Земли тикать.
«Наш процесс может объяснить не только то, как динамо-машина работала в прошлом, - говорит О'Рурк, - но [как] он все еще мог работать сегодня».
