W czwartej części artykułu zgłębiającego kwestie ziemskiego pola magnetycznego przyjrzymy się „paskom magnetycznym” na dnie oceanów i płynącym z nich wnioskom – o wędrujących biegunach i historii przemagnesowywania się Ziemi.
Trudne słowo na początek: remanencja. Skojarzenie z angielskim remanence, czyli szczątkami, resztkami, pozostałością, jest słuszne, ponieważ remanencja to pozostałość magnetyczna albo namagnesowanie szczątkowe. Jeśli ktoś nie zetknął się z tym zjawiskiem na lekcji fizyki w szkole, to mógł się z nim zetknąć w warsztacie majsterkowicza lub kładąc pęk kluczy blisko magnesu. Można również teraz wziąć kawałek „obojętnego” magnetycznie metalu jak żelazny gwóźdź czy kombinerki – dotykanie do siebie dwóch nienamagnesowanych kawałków metalu nie wywołuje żadnego efektu. Ale jeśli przykładowo do tego gwoździa przyczepimy magnes to okaże się, że on sam też zaczyna przyciągać inne żelazne elementy. I teraz najlepsze – efekt ten utrzymuje się nawet, gdy odczepimy od gwoździa tenże magnes!
Bezcenne resztki
Mówiąc bardziej fizycznie: materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo, nikiel i niektóre rodzaje stali, w obecności zewnętrznego pola magnetycznego (czyli na przykład z doczepionego magnesu), magnetyzują się, czyli porządkują się ich domeny magnetyczne i same zachowują się jak magnes stały. Wartość pola magnetycznego, jaka pozostaje po usunięciu tego magnesującego pola zewnętrznego, to właśnie remanencja. Gdybyśmy odwrócili magnes i przyłożyli do gwoździa drugim biegunem, to domeny ponownie się uporządkują, ale w przeciwnym kierunku – czyli z maksimum na plusie przeszliśmy na maksimum na minusie. Stąd łatwo wywnioskować, że w tym procesie przeszliśmy przez zero – i faktycznie, jeśli będziemy trzymać magnes w pewnej odległości (czyt: przy odpowiedniej wartości pola magnetycznego), pole magnetyczne wewnętrza materiału zaniknie (układ domen magnetycznych będzie losowy, średnio na zero).
Wartość, przy której to pole „zerujemy”, to koercja. Te dwie wartości, remanencja i koercja, mówią nam o tym, jak silna jest histereza magnetyczna danego materiału, czyli – mówiąc obrazowo – jak bardzo „reaguje” on na pole magnetyczne i ile z niego „zapamiętuje”. Myśląc o poniższym wykresie jako polu przyłożonym z zewnątrz versus wywołanym namagnesowaniu, otrzymujemy graficzny obraz pętli histerezy. Im jest ona szersza, tym materiał jest „twardszy magnetycznie” i z takich materiałów wykonuje się magnesy stałe. Z kolei gdy chcemy na przykład zapisać informację magnetycznie, czyli wielokrotnie, niskim nakładem energii namagnesowywać i rozmagnesowywać materiał, to chcemy, aby pętla była wąska, miała małe pole, czyli aby materiał był magnetycznie miękki.
Podsumowując ten wywód: jeśli dasz mi ten gwóźdź, to mogę nie tylko powiedzieć, czy był on magnesowany czy nie, ale też jakie było natężenie i kierunek tego pola!
Paski w oceanie
Jeśli przyswoiliśmy tę informację, że z badań materiału ferromagnetycznego jesteśmy w stanie odczytać, jakie było magnesujące go pole magnetyczne i połączymy to z informacją, że niektóre minerały wykazują własności ferromagnetyczne (jak rudy żelaza oczywiście), to mamy podstawy do zrozumienia, czym jest paleomagnetyzm. To dziedzina geofizyki zajmująca się badaniem przeszłości magnetycznej Ziemi poprzez pieczołowite analizowanie pozostałości magnetycznej (remanencji) skał – oceniając znane z poprzedniego artykułu wielkości magnetyczne, takie jak inklinacja, deklinacja i natężenie tego pola. Możemy zatem prześledzić, jak zmieniało się ziemskie pole magnetyczne, ale co… z czasem? Przecież te skały cały czas znajdują się w polu magnetycznym…
Tak, to prawda, ALE… skały magmowe, jak bazalt, powstają z płynnej magmy, która dopiero w pewnym momencie zastyga. Pamiętacie z poprzedniego artykułu czym była Temperatura Curie? Temperatura, powyżej której materiał traci swoje własności ferromagnetyczne – w tym pamięć o swojej historii magnetyzacji. Pole magnetyczne, które skała „zapamiętuje”, to pole w jakim była w momencie uformowania się przez ostygnięcie, co nazywamy termoremanentną magnetyzacją.
Istnieją też inne techniki, jak obserwacja chemicznej remanencji – w trakcie wzrostu niektórych kryształów, jak magnetyt i tlenek żelaza, ich orientacja odpowiada polu magnetycznemu, a jeśli w osadach dennych znajdą się ziarna materii ferromagnetycznej, to układać się będą również zgodnie z liniami pola. Jeśli do tego dodamy datowanie radioizotopowe (w skałach – stosunek potas/argon lub uran/ołów), albo datowanie skał osadowych po ich grubości przy znanym tempie depozycji, to całość nabiera spójności. Ale dość teorii – co z tej wiedzy wynikło? Przede wszystkim – obrazek poniżej:
Paleomagnetyzm pozwala odtworzyć drogę kontynentów
Oto tytułowe „paski w oceanie”. Pobieranie próbek z dna oceanu i badanie ich magnetyzacji pokazało, że miejscami są one zorientowane w przeciwną stronę. Całość nabiera sensu, jeśli wiemy, że zgodnie z teorią tektoniki płyt kontynenty się poruszają, a na dnie oceanu, na granicy między płytami, dochodzi do ich rozsuwania się na skutek naporu świeżej magmy z wnętrza Ziemi. A w przeszłości dochodziło do przebiegunowania, czyli zmiany miejscami biegunów magnetycznych.
Tyle że w rzeczywistości kolejność tych informacji jest odwrotna – to właśnie badania paleomagnetyczne stały się bardzo ważnym argumentem w dyskusji przetaczającej się przez środowisko naukowe na przełomie lat ’60 i ’70 XX wieku. O ile połączenie datowania skał z badaniami magnetycznymi pozwoliło Motonoriemu Matuyamiejuż w 1920 roku wykazać, że w przeszłości dochodziło do przebiegunowania (epizod Brunhesa-Matuyamy, 780 tysięcy lat temu), to dopiero połączenie tej wiedzy z powyższymi „paskami” stało się mocnym dowodem na to, że dno morskie się „rozsuwa”. Co więcej, jeśli KONTYNENT przesuwa się względem nieruchomego bieguna, to w historii magnetycznej jego skał możemy odczytać jaką wędrówkę odbył – i te dane są podstawą do znanych wszystkim animacji kontynentów-puzzli, które dzielą się i łączą, podróżując po globie.
Mówimy tu oczywiście o skali geologicznej, jednakże oprócz paleomagnetyzmu wyróżnia się też archeomagnetyzm, czyli badania sięgające dziesiątek tysięcy lat, gdzie pole magnetyczne odczytywane jest z ludzkich artefaktów (hartowanie stali zmienia jej własności magnetyczne…). Z kolei od ubiegłego wieku wyprawy naukowe śledzą położenie bieguna magnetycznego. Odpowiedź na pytanie, dlaczego ten biegun tak się przemieszcza i dlaczego to przemieszczanie przyspiesza, zostawiamy na później 🙂
Źródła:
Remanencja i koercja:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Koercja_magnetyczna#/media/Plik:B-H_loop.png
Paleomagnetyzm:
https://repo.pw.edu.pl/docstore/download/WUT9f677597a60a4b018910091b674c0e2c/doktorat_Rogozinski.pdf
Analiza zmian położenia wirtualnego bieguna geomagnetycznego Ziemi na podstawie badań paleomagnetycznych złoża Lębork, Politechnika Warszawska Wydział Geodezji i Kartografii, rozprawa doktorska, Radosław Rogoziński, Warszawa, 2017
Paski w oceanie:
Formation of Magnetic Anomalies at a Mid-Ocean Ridge