W pierwszej części artykułu przyjrzeliśmy się temu „jak jest” z tym ziemskim polem magnetycznym – magnetycznej inklinacji i deklinacji, a także zmianom wartości pola magnetycznego w różnych miejscach planety, z kilkoma anomaliami włącznie. Teraz czas na pytanie: „ale skąd to pole”?
Sam magnetyzm znany jest od zamierzchłej starożytności. W Europie około VI wieku przed naszą erą Tales z Miletu opisał zachowanie magnetytu przy żelazie, a z kompasu w nawigacji morskiej korzystano w XI wieku w Chinach i XII wieku w Europie. Ale aż do XX wieku nie było jak wyjaśnić, skąd bierze się ziemskie pole magnetyczne. Brakowało podstawowej wiedzy o elektromagnetyzmie oraz… o budowie Ziemi i sile Coriolisa!
Może minerały pod stopami?
Pierwotna koncepcja brzmiała tak: skoro mamy naturalne minerały wytwarzające pole magnetyczne (jak magnetyt), Ziemia wytwarza pole magnetyczne (skoro kręci igłą kompasu), a do tego nie znamy żadnego innego sposobu wytworzenia pola magnetycznego (bo jesteśmy setki lat przed Hansem Christianem Ørstedem, któremu w 1820 roku igła kompasu dygnęła przy przewodniku z prądem), to jedyne możliwe wyjaśnienie to uznanie, że wewnątrz Ziemi znajduje się więcej minerałów wytwarzających takież właśnie pole – być może jakieś olbrzymie pokłady żelaza, przyciągające igłę. Jak to ze starożytnymi mądrościami bywa, były przez tysiąclecia bezmyślnie powtarzane, bo jeszcze nie było metody naukowej, która pozwoliłaby dojść do prawdy. Dziś, dzięki Piotrowi Curie, wiemy, że taka wizja jest kompletnie błędna.
Piotr Curie, zanim zajął się z Marią badaniami nad promieniotwórczością, zajmował się magnetyzmem. Jego największym osiągnięciem było odkrycie w 1895 roku występowania tak zwanej temperatury Curie, czyli temperatury, po której ferromagnetyk traci swoje własności magnetyczne. Można to sprawdzić w prostym eksperymencie ze świeczką, magnesem i kawałkiem niklu – nikiel przyciągany jest do magnesu, ale ogrzanie go sprawia, że przestaje być przyciągany, aż się ponownie nie ochłodzi. Takie doświadczenie można przeprowadzić także z żelazem, tyle że temperatura Curie niklu to 354°C, a żelaza – 770°C, więc zamiast świeczki trzeba by użyć palnika.
Przyczyną występowania tego zjawiska jest fakt, że, zgodnie z definicją, temperatura związana jest ze średnią energią kinetyczną cząstek, czyli w cieplejszym ciele jego atomy wykonują intensywniejsze drgania. Takie ruchy termiczne powodują „rozmagnesowanie” się ferromagnetyku, czyli zanika pierwotna struktura domen, które uporządkowały się zewnętrznym polem magnetycznym.
Skoro zatem mamy wiedzę fizyczną o temperaturze Curie, a także wiedzę geologiczną o tym, że we wnętrzu Ziemi jest – delikatnie mówiąc – ciepło, bo temperatura wzrasta średnio o jeden stopień Celsjusza na każde 33 metry w głąb, aż w środku mamy ciekłe skały, a dalej płynne jądro zewnętrzne… to od XIX wieku jasne jest, że mechanizm musi być zupełnie inny! Ale jaki?
Dynamo wielkości planety
Skoro wiadomo, że to nie minerały, trzeba było szukać innego wyjaśnienia. Ale nie mogło ono być skuteczne, skoro… nikt nie miał pojęcia co my właściwie mamy pod nogami! Dopiero w 1906 roku na podstawie pionierskich badań sejsmicznych ustalono, że głęboko we wnętrzu Ziemi znajduje się płynne jądro otaczające jądro stałe, znajdujące się w samym środku (na skutek trzęsień ziemi powstają fale sejsmiczne podłużne i poprzeczne, ale tylko podłużne mogą rozchodzić się w cieczy – skoro więc jedne docierały do obserwatorium po drugiej stronie od trzęsienia, a inne nie, to wyciągamy wniosek, że napotykały warstwę cieczy).
Dodatkowo pomiary siły grawitacji wynikające z prawa powszechnego ciążenia pozwoliły ustalić, że wnętrze musi być metaliczne (na podstawie siły grawitacji znamy masę, na podstawie pomiarów geograficznych/astronomicznych znamy rozmiar planety, znamy więc jej średnią gęstość. A skoro gęstość skał jest mniejsza niż ta średnia gęstość, to gęstość wnętrza musi być większa – to już Newton sugerował!).
Skoro z badań sejsmicznych, grawimetrycznych i magnetycznych (i wiedzy o rozpadzie naturalnych izotopów promieniotwórczych generujących ciepło) zaczynamy mieć obraz wnętrza Ziemi, który pokazuje olbrzymie temperatury – ponad 4000°C w płynnym jądrze zewnętrznym! – i nieprawdopodobne ciśnienia tam panujące – 13,5 miliona atmosfer w jądrze! – to zaczyna kiełkować nowa koncepcja.
Po pierwsze, skoro głębiej jest cieplej, a dalej od jądra zimniej, a warstwę ciepłą i zimną rozdziela płyn (ciekłe żelazo i nikiel), to w warstwie tej dochodzić będzie do konwekcji. Jak w garnku z wodą lub z powietrzem wokół kaloryfera – warstwa bliżej źródła ciepła się ogrzewa, więc na skutek rozszerzalności cieplnej zmniejsza się jej gęstość. Zatem siła wyporu wypycha ją na powierzchnię, gdzie się ochładza i opada z powrotem w stronę źródła ciepła – i tak w kółko w swojej komórce konwekcyjnej.
Siła Coriolisa a ziemskie pole magnetyczne
Konwekcja sprawia, że głęboko pod ziemią płyną rozciągające się na setki kilometrów rzeki płynnego metalu – przewodnika. Teraz możemy dodać następny istotny element – Ziemia się kręci, a to powoduje powstanie siły Coriolisa, oddziałującej na każdy poruszający się obiekt. Siła Coriolisa działa prostopadle do kierunku ruchu, czyli „w bok”, zakręcając na powierzchni masami powietrza w kółeczka pasatów i huraganów, albo wodą swobodnie wypływającą z odpływu.
Uwaga z eksperymentem w domowej łazience, siła Coriolisa jest względnie mała, a więc łatwo, wyciągając korek lub niechcący ruchem ręki, zamieszać w drugą stronę – oto jak wykonać ten eksperyment prawidłowo:
To już było wystarczająco dużo danych, aby amerykański fizyk niemieckiego pochodzenia Walter Maurice Elsasser oraz brytyjski geofizyk Edward Bullard w pierwszej połowie XX wieku zaproponowali model geodynama. Ziemia się obraca, a wraz z nią płynna i stała część jądra. W płynnej części występują ruchy konwekcyjne płynnego żelaza. Na poruszający się płynny metal działa siła Coriolisa. Rzeka metalu pod wpływem tej siły porusza się po spirali. I tak otrzymujemy planetarną cewkę. Pozostaje problem: skąd bierze się w niej prąd? Bo przecież jak mamy ruch przewodnika w polu magnetycznym, to siła Lorentza powoduje ruch ładunków – i mamy indukcję Faradaya. Czyli otrzymujemy samowzbudne dynamo, zasilane energią z konwekcji.
Gdyby Ziemia była nieruchoma lub gdyby wnętrze było zimne lub jednorodne, takiego pola magnetycznego, jakie znamy, by nie było. Teoria geodynama a.k.a. samowzbudnego dynama a.k.a. dynama magnetohydrodynamicznego to dziś najpowszechniej akceptowana teoria opisująca ziemskie pole magnetyczne – szczególnie od czasu, gdy do symulacji komputerowych zaprzęgnięto jedne z najpotężniejszych na świecie superkomputerów i wykonano obliczenia, w których uzyskano zjawiska, które faktycznie obserwujemy, jak okresowe przebiegunowanie… Nie wyjaśnia to niestety wszystkiego i jasne jest, że potrzeba jeszcze wielu lat dalszych badań.
Ale o wędrującym biegunie i przebiegunowaniach, a także w końcu o tym, co wyjaśnia Anomalię Magnetyczną Południowoatlantycką – w części trzeciej!
Źródła:
Dynamo magnetohydrodynamiczne:
Kageyama, A., Miyagoshi, T. & Sato, T. Formation of current coils in geodynamo simulations. Nature 454, 1106–1109 (2008). https://doi.org/10.1038/nature07227
https://www.nature.com/articles/nature07227
R. T. Merrill and P. L. McFadden, Paleomagnetism and the Nature of the Geodynamo, Science, 20 Apr 1990, Vol 248, Issue 4953, pp. 345-350, DOI: 10.1126/science.248.4953.345
https://websites.pmc.ucsc.edu/~glatz/geodynamo.html
Informacje biograficzne:
https://www.britannica.com/biography/Edward-Bullard
https://www.britannica.com/biography/Walter-M-Elsasser
https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.2387070
Historyczne badania sejsmiczne:
https://sciencing.com/do-scientists-structure-earths-interior-8695198.html