Ученые раскрыли секрет появления магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли защищает нас от смертоносного космического излучения, и без него жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, не может существовать здесь. Формирование поля происходит за счет движения жидкого железа в ядре планеты – явления, называемого «геодинамо». Но как это магнитное поле появилось впервые и затем сохранялось на протяжении всей истории Земли, остается загадкой для ученых. Новая работа, опубликованная в Nature группой, возглавляемой Александром Гончаровым из университета Карнеги, проливает свет на историю этого невероятно важного геологического явления.

Наша планета сложилась из каменистого материала, который окружал Солнце в ранний период его существования. И со временем более плотная материя, железо, погрузилась внутрь, создавая слои, которые мы сегодня называем ядром, мантией и корой. В настоящее время внутренняя часть ядра твердая, железная, с некоторыми другими материалами, которые оказались внутри в результате процесса наслоения. Внешнее ядро – это жидкий железный сплав, и его движение порождает магнитное поле. Происходит это так: очень высокая температура расплавленного железа обеспечивает его достаточно высокую конвекцию (вид теплопередачи, перенос энергии через движение разжиженной или газообразной массы – Прим.ред.), а это движение, в свою очередь, возбуждает изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля.

Чтобы лучше понять, как происходит теплопередача в твердом внутреннем и жидком внешнем ядре, необходимо исследовать процессы, благодаря которым появилась наша планета и наше магнитное поле, и, прежде всего, процесс, за счет которого формируется магнитное поле – процесс теплопередачи. Очевидно, что материалы, составляющие ядро Земли, существуют в очень экстремальных условиях, при очень высоких температурах и очень высоком давлении. Это означает, что их поведение не может быть таким же, как и на поверхности планеты.

«Мы ощутили острую необходимость прямых измерений теплопередачи основных материалов, содержащихся в ядре, в условиях, близких к настоящим, однако подобраться близко к ядру Земли и взять образцы непосредственно оттуда невозможно», – рассказал господин Гончаров.

Тогда команда использовала инструмент, называемый ячейкой с алмазными наковальнями, для имитации условий в планетарном ядре и изучения того, как железо передает тепло в таких условиях. В ячейку с алмазными наковальнями положили крошечные образцы железа и сжали их между двумя алмазами, воссоздав тем самым в лаборатории экстремальное давление, как в ядре Земли. А лазер нагрел железо до необходимой температуры ядра.

Используя этот метод, команда смогла взглянуть на образцы железа при показателях температуры и давления, которые могли быть обнаружены внутри планет размером от Меркурия до Земли. Получилось давление, от 345 000 до 1,3 миллиона раз превышающее нормальное атмосферное давление, и температура от 2400 до 4900 градусов по Фаренгейту. Выяснилось также, что теплопроводность расплавленного железа в таких условиях совпадает с нижним пределом полученных ранее оценок теплопроводности в ядре Земли – от 18 до 44 Вт/(м*K). Это может свидетельствовать о том, что энергия, необходимая для поддержания геодинамо, была доступна с самого начала истории Земли.

«Чтобы лучше понять суть теплопередачи, нам необходимо также выяснить, как не железные материалы, попавшие вместе с железом в ядро в период формирования слоев, повлияли, в итоге, на тепловые процессы внутри нашей планеты», – добавил господин Гончаров.