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 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 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

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

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 wariuje, ale najprawdopodobniej nie znikała zupełnie. Zmian biegunów odbywa się w sposób losowy i chaotyczny, przez to zamiast dwóch silnych biegunów może powstawać mnóstwo słabszych rozłożonych na całej planecie.
Wytłumaczenie zmian biegunów jest obecnie nieznane. Najprawdopodobniej jest to konsekwencją naturalnego układu chaotycznego, znanego z przebiegu innych zjawisk, na przykład podczas powstawania huraganu. Zazwyczaj lokalne przekręcanie linii pola magnetycznego (anomalie magnetyczne) znika po mniej więcej 1000 latach, lecz niekiedy postępuje dalej, co ostatecznie skutkuje odwróceniem biegunowości pola jako całości. Dotychczas zmiany biegunów Ziemi następowały po sobie w odstępach od 10 tysięcy do nawet 50 milionów lat. Średnio zdarzają się co około 250 tysięcy lat. Ostatnie odwrócenie biegunów nastąpiło około 780 tysięcy lat temu, a magnetyczny chaos z tym związany trwał kilka tysięcy lat. Proces przebiegunowania średnio trwa 5000 lat; może ono przebiegać szybko w ciągu 1000 lat bądź wolno przez 20000 lat.
Od ponad dwudziestu lat dokładnie badamy precyzyjnie rozkład pola magnetycznego na powierzchni Ziemi. Najpierw źródłem danych był satelita Magsat, a od 1999 roku satelita Oersted. W 2013 roku na orbicie zostały umieszczone trzy satelity Swarm, należące do Europejskiej Agencji Kosmicznej. Satelity oznaczone "Alfa", "Beta" zostały umieszczone na wysokości 460 km od powierzchni Ziemi, natomiast trzecia "Charlie" w odległości 530 km od powierzchni. Satelity na niższej orbicie znajdują się w odległości około 150 km od siebie, badając pole magnetyczne w tym samym miejscu. Celem jest otrzymanie wysokiej jakości przestrzennych danych o tym, jak zmienia się pole magnetyczne wokół Ziemi. Satelita na wyższej orbicie będzie obserwował zmiany pola magnetycznego Ziemi w długich przedziałach czasowych.
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

Komputerowa symulacja pola magnetycznego Ziemi na 500 lat przed zmianą biegunów

powierzchni jądra: dwa pod skrajnymi 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. Wyniki obserwacji z 2014 roku sondy SWARM potwierdzają przyspieszenie osłabiania pola magnetycznego. Jeśli będą się powiększały w dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne mogą zaniknąć lub bardzo osłabnąć w ciągu tysiąca lat, a kompasy będą bezużyteczne.
Trudno powiedzieć, jaki wpływ mogłoby mieć przebiegunowanie na współczesną cywilizację, lecz jest mało prawdopodobne, by wywołało katastrofalne skutki. Zapisy kopalniane nie wskazują , by przy poprzednich przebiegunowaniach następowało wymieranie gatunków bądź nasilenie szkód radiacyjnych. Mogłoby ewentualnie ucierpieć sieci energetyczne i systemy telekomunikacyjne. Ale nie ma się co przejmować na zapas bowiem za setki lat będziemy zaawansowani technologicznie i zmienią się warunki przesyłania energii i informacji. Może to natomiast spowodować częstsze zorze polarne. 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.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w nr 5/2005 oraz wzmianki w numerze 11/2014 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, oddziałuje 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. Obserwuje się ponad 270 linii emisyjnych o różnych długościach fali. W zależności od intensywności poszczególnych linii emisyjnych obserwuje się różne barwy, najczęściej zieloną, czerwoną lub żółtą a często białą.

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

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.
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.

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

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 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.

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

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 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 satelitów. 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.
Odstępstwa ziemskiego pola grawitacyjnego są spowodowane poprzez:
- spłaszczenie Ziemi wywołane jej ruchem obrotowym,
- zróżnicowanie powierzchni Ziemi – występowanie zarówno wysokich gór jak i głębi oceanicznych,
- niejednolite rozmieszczenie materiałów we wnętrzu Ziemi – występują nieregularności warstw w skorupie i płaszczu jak również rozmieszczenie mas wewnątrz każdej z warstw nie jest jednorodne,
- występowanie ropy, złóż minerałów oraz zbiorników wód podziemnych,
- zmiany poziomu morza, zmiany topografii, wybuchy wulkanów.
W zależności od lokalizacji wiele z tych czynników może nakładać się na siebie oraz zmieniać się wraz z upływem czasu.
Najważniejsze jest uzyskanie 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 mikrometrów, 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. 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

Geoida, czyli bryła Ziemi, wykreślona przez satelity.

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. Satelita ma pracować do 2015 roku.
W 2009 roku wysłano kolejną sondę należącą do Europejskiej Agencji Kosmicznej nazwaną GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) Cele są podobne jak poprzednio czyli stworzenie dokładnej mapy ziemskiej grawitacji. Satelita wykreślił też geoidę, czyli bryłę Ziemi, której powierzchnia nie jest równa jak powierzchnia kuli, ale za to jest w każdym miejscu prostopadła do siły ciężkości. Taka idealna powierzchnia wyznacza hipotetyczny poziom niewzburzonego wiatrem morza, a więc pomoże w mierzeniu wysokości obiektów znajdujących się na Ziemi i nad nią. Żeby dokonać pomiarów, ważący trochę ponad tonę GOCE krążył po bardzo ciasnej orbicie, ledwie 250 km nad poziomem morza. Ponieważ przechodzi przez resztki powietrza, ma bardzo aerodynamiczny kształt przypominający strzałę o długości 5,3 metrów i średnicy jednego metra. Satelita zaopatrzony był w silnik jonowy napędzany ksenonem. Misja została zakończona 11 listopada 2013 roku i satelita spłonął nad Oceanem Atlantyckim wchodząc w atmosferę ziemską.

---

« Poprzednia  Następna »