Warstwy wewnętrzne Ziemi

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna geograficznego południowego, a magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego północnego.
Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z niemal czystego żelaza, z płynnego płaszcza zewnętrznego również składającego się głównie z żelaza, skalistego płaszcza i cienkiej skorupy obejmującej kontynenty i dna oceanów. Łączny ciężar płaszcza i skorupy wytwarza w jądrze ciśnienie średnio dwa miliony razy większe od tego jakie panuje na powierzchni planety. Temperatura jądra wynosi około 5000°C i wytworzyła się podczas formowania Ziemi na skutek kurczenia się materii.
Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które płyną w stopionym jądrze naszej planety. Fizycy ustalili, że planeta może wytwarzać własne pole magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz dużej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu w ruch. Źródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują ku górze. Gdy gorący strumień dociera do do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła. Schłodzone żelazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu

Zmiana rozkładu ziemskiego pola magnetycznego, od roku 1980 anomalii przybyło, a istniejące się powiększyły

obrotowego Ziemi. Na płynne żelazo działa wtedy siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza i torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie pola magnetycznego Ziemi (geodynama) jest więc przede wszystkim zasługą istnienia płynnego, metalicznego żelaza, zasobów energii wystarczających do podtrzymania konwekcji oraz siły Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie. Pole magnetyczne jako całość podobne jest do pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy powoduje, że w wielu miejscach powstają obszary o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami magnetycznymi.
Z namagnesowania starych skał i minerałów można odczytać, jak zmieniało się pole magnetyczne na przestrzeni wieków, bowiem podczas szybkiego stygnięcia lawy kryształy tak jak igły magnetyczne, układają się zgodnie z kierunkiem ziemskiego pola magnetycznego. Okazuje się, że bieguny ziemskiego pola magnetycznego cyklicznie zamieniały się miejscami - południowy przechodził na miejsce północnego i na odwrót. W czasie takiej zamiany ziemskie pole magnetyczne wariowało, między innymi zanikały wtedy oba bieguny magnetyczne. Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło około 780 tysięcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym związany trwał kilka tysięcy lat.
Od dwudziestu lat dokładnie badamy precyzyjnie rozkład pola magnetycznego na powierzchni Ziemi. Najpierw źródłem danych był satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. Używając metod matematycznych i zakładając, że pola generowane przez prądy elektryczne w płaszczu są zaniedbywanie małe, naukowcy uzyskali z tych pomiarów mapy pola magnetycznego na powierzchni jądra. Okazało się, że chociaż pole magnetyczne jest podobne do magnesu sztabkowego to w większości pochodzi z czterech dużych stref na powierzchni jądra: dwa pod skrajnymi

Komputerowa symulacja pola magnetycznego Ziemi na 500 lat przed zmianą biegunów

wybrzeżami Antarktydy i po jednym pod Syberią oraz Ameryką Północną. Dodatkowo odkryto, że od lat osiemdziesiątych powstają nowe anomalne obszary, na przykład pod wschodnim wybrzeżem Ameryki Północnej czy pod Arktyką. Pojawienie się tych anomalii jest najprawdopodobniej oznaką kolejnej zamiany biegunów. Zaobserwowano zmniejszenie się natężenie ziemskiego pola magnetycznego o 10% w stosunku do pierwszych pomiarów wykonywanych w XIX wieku. Jeśli będą się powiększały w dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne mogą zaniknąć w ciągu tysiąca lat, a kompasy będą bezużyteczne. Ciekawe jak poradzą sobie zwierzęta, np. ptaki, które w swych wędrówkach kierują się polem magnetycznym?
Aby poznać lepiej mechanizm powstawania lokalnych niezgodności pola magnetycznego i sposób, w jaki mogą powstawać kolejne zmiany biegunów magnetycznych, naukowcy symulują geodynamo na superkomputerach i modelach fizycznych. Niestety moce obliczeniowe są zbyt małe aby w pełni śledzić procesy podobne do zachodzących w jądrze Ziemi. Próbujemy również budować modele fizyczne w laboratorium. Po raz pierwszy w 2000 roku dwa europejskie zespoły niezależnie od siebie wytworzyły spontanicznie wytworzone bieguny magnetyczne w spiralnie skręconych rurach o długości 1-2 metry, zawierających ciekły sód (sód ma bardzo niską temperaturę topnienia). W najbliższym czasie planuje się umieścić płynny sód w kulistych zbiornikach o średnicy trzy metry i wprawić go w ruch.
Czekamy na dalsze pomiary i lepsze komputery. Naukowcy spodziewają się, że połączenie trzech metod badawczych - pomiarów satelitarnych, symulacji komputerowych i laboratoryjnych - nastąpi najdalej za 10 do 20 lat.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w nr 5/2005 czasopisma Świat Nauki.

---

Zdjęcie zorzy polarnej, którego autorem jest Jan Curtis

Zorze polarne, które już omawialiśmy w ciekawostkach, powstają na skutek burz magnetycznych na Słońcu. Powstają wtedy silne rozbłyski i z powierzchni Słońca wyrzucane są ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie protonów i elektronów) o wysokiej energii. Tworzą one tak zwany wiatr słoneczny, który stanowi przedłużenie atmosfery słonecznej, Wiatr słoneczny sięga aż do skrajów Układu Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w pobliże Ziemi, oddziaływuje z polem magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego i w końcu zderzają się w pobliżu biegunów magnetycznych z cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła.
Zorza pojawia się w postaci kolorowych łuków, promieni, pasm, serpentyn i draperii. Naukowcy wciąż jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna bywa pofałdowana jak wstążka na wietrze. Dlaczego wreszcie nie jest jednolitą ścianą światła, lecz często składa się z osobnych pasm, jakby tworzyły ją wiązki światła z równolegle ustawionych reflektorów. Jest kilka hipotez wyjaśnienia tych faktów. Może jakieś pola elektryczne w ziemskiej atmosferze muszą tak przyspieszać elektrony, że skupiają się one w wiązki. Niektórzy z badaczy sądzą, że jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się pomiędzy różnymi warstwami atmosfery.

Zniekształcone pola magnetyczne Ziemi (magnetosfera) przez wiatr słoneczny, białe obszary to uwięzione elektrony i protony czyli pasy van Allena

Niedawno ogłoszono nowy złożony model powstawania zorzy, który obecnie obowiązuje. Aby omówić ten model musimy rozszerzyć wiadomości o ziemskim polu magnetycznym.
Pole magnetyczne Ziemi tworzy osłonę ochronną, zwaną magnetosferą. Wychodzą one z dwu biegunów, następnie biegną pionowo, po czym na dużej wysokości odchylają się do pionu i przechodzą do przeciwległego bieguna. Wiatr słoneczny spłaszcza czoło magnetosfery i wyciąga jej tylną część w formie ogona, co widać na rysunku po lewo.
Okazuje się, że cząstki pochodzące z wiatru słonecznego zostały uwięzione przez ziemskie pole magnetyczne (odkrył to van Allen w 1958 roku) i tworzą podwójne, tak zwane pasy van Allena, zwane też pasami radiacyjnymi, ponieważ są one obszarami intensywnego promieniowania. Elektrony i protony, w tych pasach, poruszają się po trajektoriach zbliżonych do spiralnych z ogromnymi prędkościami, w kierunku z bieguna północnego na

Ogon magnetosfery jest bardzo rozciągnięty i za chwilę nastąpi zmiana konfiguracji linii pola magnetycznego

południowy i z powrotem (jedna sekunda wystarczy na przebycie trasy w obu kierunkach). Wewnętrzny pas van Allena, składający się przede wszystkim z protonów, rozciąga się od wysokości 1000 do 5000 km nad równikiem ziemskim, natomiast pas zewnętrzny (przeważnie elektrony) od 15000 do 25000 km nad równikiem. Pasy van Allena odrzucają cząstki dochodzące z Kosmosu, stanowią więc naturalną osłonę radiacyjną, również przed wiatrem słonecznym.
Kiedy wiatr słoneczny dociera do magnetosfery to zaczyna się ślizgać po liniach pola ziemskiego i rozciąga je dalej w przestrzeń kosmiczna po nocnej stronie Ziemi. Co jakiś czas ogon ten staje się tak rozciągnięty, że następuje zmiana konfiguracji linii pola magnetycznego, w wyniku której dochodzi do skierowanie ponownie ku Ziemi strumienia protonów i elektronów. Zjawisko to trwa od 10 minut do kilkudziesięciu godzin. Proces ponownego łączenia się linii pola ziemskiego wytwarza fale wzdłuż pola magnetycznego. Od ogona magnetycznego Ziemi do biegunów płyną fale elektromagnetyczne, zwane falami

Po nastąpieniu zmiany konfiguracji pola magnetycznego Ziemi następuje powstanie fal Alfvena, skierowanych do biegunów magnetycznych

Alfvena, przemieszczające się wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego. Fale Alfvena mogą przekazywać swoją energię elektronom, nadając im przyspieszenie skierowane wzdłuż linii pola magnetycznego w kierunku biegunów północnego i południowego. Elektrony dostając się do atmosfery zderzają się z cząsteczkami powietrza i wzbudzające. Wzbudzone atomy oddają energię, emitując światło.
Od dawna kontrowersyjnym tematem było istnienie tajemniczych dźwięków, które wiele osób miało słyszeć podczas intensywnych zórz. Próby rejestracji akustycznej nie przyniosły jednak rezultatów i wydawało się, że jest to efekt subiektywnych wrażeń. Są różne próby wytłumaczenia tych efektów. Być może przyczyna dźwięków mogą być lokalne wyładowania elektryczne w powietrzu lub jak ostatnio się przypuszcza silne pola elektromagnetyczne wywołują jakieś procesy bezpośrednio w mózgu człowieka. Najprawdopodobniej fale elektromagnetyczne powodują minimalne zaburzenia temperatury w tkankach, a to z kolei może wywołać wewnątrz ciała lokalne fale akustyczne słyszalne przez ucho.
Aby jeszcze lepiej poznać zorze polarne naukowcy prowadzą ich obserwacje z powierzchni Ziemi i satelit. Odbyły się też pierwsze próby wywołania sztucznej zorzy polarnej strzelając silnymi wiązkami promieniowania radiowego w nocne niebo. Być może niedługo poznamy jeszcze lepiej mechanizm powstawania tego tajemniczego zjawiska i będziemy potrafić przewidywać jego wystąpienie.
Oracowano na podstawie artykułów zamieszczonych w nr 4/2005 Młodego Technika, nr 11/2001 National Geographic i nr 7/2005 Wiedzy i Życie.

---

Ziemia nie jest idealnie kulista. Jej kształt zbliżony jest do spłaszczonej kuli ale licznie zniekształconej. Co więcej, naukowcy sądzą, że jej kształt nie jest stały. A te przeobrażenia zachodzące we wnętrzu naszej planety mają wielki wpływ między innymi na kształt i siłę ziemskiego pola grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyjaśnienia tego zjawiska. Pierwsza tajemnicę zmiennego pola grawitacyjnego Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy gigantycznych mas wody, jakie dokonują się za sprawą morskich prądów zmieniają grawitację naszej planety. Wraz z przemieszczaniem się wody słodkiej i słonej zmienia się rozkład mas na naszej planecie. A grawitacja jest wszak wprost proporcjonalna do masy.
Wielu zwolenników ma teoria wiążąca zmiany grawitacji z efektami efektu cieplarnianego. Głosi ona, że wzrastająca średnia temperatura atmosfery powoduje topnienie lodu i sprawia, że np. północna Kanada i Półwysep Skandynawski uwolnione częściowo od przygniatających je mas lodu... zaczynają się nieco unosić do góry! Te ruchy - rzecz jasna - odbijają się na kształcie pola grawitacyjnego. Wszystko jednak ma się wyjaśnić wraz z uzyskaniem dokładnych pomiarów zmian grawitacji. Globalne pomiary pola grawitacyjnego Ziemi nie są jednak proste. Dlatego postanowiono zbadać grawitację z kosmosu.

Mapa różnic (w mikrometrach, czyli milionowych częściach metra) w odległości między dwoma statkami Grace. Zmiany w odległości są powodowane przez zmiany w natężeniu ziemskiego pola grawitacyjnego, działającego na każdy ze statków.

17 marca 2002 roku wystartowała rakieta Rockot z dwoma bliźniaczymi satelitami na pokładzie. Rozpoczęła się amerykańsko-niemiecka misja GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment). Oba satelity znajdują się 500 km nad powierzchnią Ziemi i podążają jeden za drugim w odległości 220 km. Przelatują one nad obszarami silniejszego lub słabszego pola grawitacyjnego i potrafią je rozróżnić. Gdy podążający przodem satelita wchodzi w obszar silniejszego pola grawitacyjnego, oddala się nieznacznie od towarzysza. Dokładna wartość odległości oraz wartość wzajemnej prędkości satelitów są mierzone za pomocą umieszczonych na ich pokładzie instrumentów oraz systemu GPS z dokładnością sięgającą... 10 mikronów, czyli około jednej dziesiątej grubości ludzkiego włosa!
Dane gromadzone za pomocą GRACE są wykorzystywane do budowania trójwymiarowych modeli ziemskiego pola grawitacyjnego raz na 30 dni. Misja będzie trwała pięć lat. Satelity mierzą rozkład masy na Ziemi z dokładnością od stu do tysiąca razy większą niż dotychczas. Badania ujawnią drobne zmiany, jakie dokonują się w polu grawitacyjnym Ziemi i być może dostarczą też wyjaśnień, skąd się one biorą. Poza monitorowaniem ziemskiej grawitacji uczeni planują otworzenie z nieznaną dotąd precyzją kształtu ziemskiej geoidy. Oczekuje się także, że satelity Grace będą wychwytywały zmiany w prądach oceanicznych, zasobach wód podziemnych i lodowcach, co pozwoli lepiej monitorować klimat Ziemi. O dokładności tej metody niech świadczy to, że według naukowców zaangażowanych w projekt statki Grace są w stanie zarejestrować czteromilimetrowe zmiany wysokości wody w basenie Mississippi o powierzchni 32 milionów kilometrów kwadratowych.
Pod koniec 2002 roku satelita Grace zaczął przesyłać pierwsze wyniki swych niezwykle dokładnych pomiarów pola grawitacyjnego Ziemi. W ciągu 30 dni twierdzą specjaliści uzyskano więcej danych najlepszej jakości niż udało się nam zgromadzić przez ostatnie 30 lat. Pierwsze mapy zostaną udostępnione wiosną 2003 roku.

---