Земля обладает магнитным полем, которое защищает планету и её обитателей от вредного космического излучения. Другие планеты Солнечной системы, например Марс, постоянно подвергаются бомбардировке заряженными частицами, что усложняет существование жизни.
Как образуется магнитное поле
Учёные объясняют возникновение магнитного поля механизмом, известным как теория динамо. Согласно этой теории, непрерывное медленное охлаждение жидкого ядра, состоящего из железа и никеля, создаёт круговые потоки жидкого материала в внешнем ядре, известные как конвекционные потоки.
Одновременно вращение Земли отклоняет эти потоки, заставляя их течь по винтообразному принципу. Конвекционные потоки генерируют электрические токи, которые, в свою очередь, создают магнитные поля и, таким образом, формируют большую часть магнитного поля Земли.
Однако в теории есть слабое место: ядро Земли было полностью жидким до того, как внутреннее ядро кристаллизовалось — около 1 миллиарда лет назад. Возникает вопрос, могло ли магнитное поле быть сгенерировано до этого времени.
Ответ геофизиков
Группа из трёх геофизиков из ETH Zurich и SUSTech в Китае ответила на этот вопрос в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature.
Поскольку внутреннее строение Земли и происходящие в нём процессы невозможно наблюдать напрямую, геологи изучают их с помощью компьютерных моделей.
Исследователи разработали компьютерную модель Земли, чтобы имитировать возможность генерации стабильного магнитного поля полностью жидким ядром. Их симуляции были частично рассчитаны на высокопроизводительном компьютере Piz Daint в CSCS в Лугано.
Результаты моделирования
В ходе моделирования исследователи продемонстрировали правильный физический режим, при котором вязкость ядра Земли не влияет на эффект динамо. Это означает, что магнитное поле Земли генерировалось в ранней истории Земли аналогично тому, как это происходит сегодня.
Исследовательская группа впервые успешно свела влияние вязкости ядра Земли к пренебрежимо малому значению в модели. «До сих пор никому не удавалось выполнить такие расчёты в этих правильных физических условиях», — говорит ведущий автор исследования Юфэн Линь.
«Это открытие помогает нам лучше понять историю магнитного поля Земли и полезно при интерпретации данных из геологического прошлого», — говорит соавтор Энди Джексон, профессор геофизики в ETH Zurich.
Это также по-новому освещает вопрос возникновения жизни. Миллиарды лет назад жизнь, очевидно, выиграла от магнитного щита, который блокировал вредное космическое излучение, что сделало возможным её развитие.
Исследователи также могут использовать новые данные для изучения магнитных полей других небесных тел, таких как Солнце или планеты Юпитер и Сатурн.
Магнитное поле Земли не только защищает жизнь, но и играет решающую роль в обеспечении возможности спутниковой связи и многих других аспектов современной цивилизации. «Поэтому важно понимать, как генерируется магнитное поле, как оно меняется со временем и какие механизмы его поддерживают», — говорит Джексон. «Если мы поймём, как генерируется магнитное поле, мы сможем предсказать его будущее развитие».
Изменение магнитного поля
Магнитное поле Земли меняло свою полярность тысячи раз за всю историю. В последние десятилетия исследователи также наблюдали быстрое смещение магнитного северного полюса по направлению к географическому северному полюсу. Для нашей цивилизации важно понимать, как меняется магнетизм на Земле.