8 Minutės
Įsivaizduokite du lėtai kūrenančius krosnies tipus, tykiai sėdinčius mantijos dugne — beveik nejuda, tačiau formuoja mūsų planetos magnetinę „asmenybę“. Keista, ar ne? Giliai po Afrika ir Ramiojo vandenyno regionais seismologai aptiko milžiniškas zonas, pravardžiuojamas „Blobs“, kurios elgiasi kitaip nei aplinkinis uolienas. Jos yra kietos, bet seisminėmis bangomis matuojamos kaip anormaliai lėtos. Jos intriguoja mokslininkus. Naujausi tyrimai rodo, kad šios zonos nedaro tik nieko — jos prisideda prie Žemės magnetinio lauko stabilizavimo.
Kas yra šios „Blobs“ ir kodėl jos svarbios
Mums neįmanoma prasikasti iki gelmių. Negalime nusiųsti zondo per 3 000 kilometrų gylį į skystojo geležies vandenyną, kuris maišo išorinį branduolį. Vietoje to, mūsų supratimas apie gilumines Žemės struktūras grindžiamas netiesioginiais signalais — seisminėmis bangomis, laboratorinėmis mineralogijos eksperimentų išvadomis ir senovinių uolienų magnetiniais įrašais. Šios magnetinės žymės veikia kaip laiko kapsulė: ugninės kilmės (magminės) uolienos atvėsta egzistuojant Žemės magnetiniam laukui ir užfiksuoja kryptinę parašą, kuris parodo, kaip atrodė laukas tuo momentu.
Pati mantija daugiausia yra kieta uoliena, kuri juda vos milimetrais per metus — geologiniu mastu labai lėtai — tačiau jos apatinė dalis pasižymi ryškia heterogeniškumu. Ypač išsiskiria dvi didžiulės mažo greičio zonos: viena maždaug po Afrika, kita — po centrinio Ramiojo vandenyno regionu. Seisminių bangų greitis ten žymiai sulėtėja, o tai reiškia aukštesnę temperatūrą, cheminius skirtumus arba abu veiksnius kartu. Techniniu terminu šias sritis vadiname didelėmis mažo kirpimo greičio provincijomis (angl. LLSVP) — kas dažnai sutrumpinama iki „Blobs“. Jeigu jos yra šiltesnės už aplinkines mantijos sritis, jų terminis kontrastas gali pakeisti, kaip šiluma išteka iš po jų esančio skysto branduolio — o ta šiluma varo geodinamą ir, per tai, magnetinį lauką, saugantį gyvybę nuo kosminės spinduliuotės.
Iš uolienų į modelius: kaip mokslininkai susiejo „Blobs“ su magnetiniu lauku
Tyrėjai lygino senovines uolienose išsaugotas magnetines kryptis — kai kurios iš jų sujungtos į chronologinę seką, kuri siekia iki 250 milijonų metų — su magnetiniais laukais, sugeneruotais geodramos (geodynamo) superkompiuterinėse simuliacijose. Pastebėjimas buvo subtilus, bet nuoseklus: žemose platumose užfiksuotos magnetinės kryptys keitėsi priklausomai nuo ilgumos. Paprastai sakant, magnetinis laukas tam tikroje platumoje atrodė priklausomas nuo to, kurioje planetos ilgumoje ta uoliena susiformavo. Toks ilguminis priklausomybės požymis nurodė giluminę, ilgai egzistuojančią struktūrą, darančią įtaką laukui.
Simuliacijos, kurios darė prielaidą apie tolygų šilumos srautą per branduolio–mantijos ribą, nesugebėjo atkurti šio ilguminio variacijos modelio. Sugeneruoti magnetiniai laukai arba neturėjo išreikštos ilguminės struktūros, arba perėjo į chaotišką, netvarkingą būseną, kuri buvo nesuderinama su geologiniais duomenimis. Kai modeliuotojai įterpė heterogeninės šilumos eigos modelį — imituodami didelius, karštus „Blobs“, kurie riboja šilumos nuostolį — geodynamika elgėsi kitaip. Magnetiniai laukai įgijo ilgumines „antspaudų“ savybes, primenančias senovinių uolienų įrašus, o bendra lauko būklė tapo atspari katastrofiniam žlugimui į silpnas, daugpolines konfigūracijas.
Kodėl sumažėjęs šilumos nuostolis po „Blobs“ yra reikšmingas? Atsakymas glūdi skysčių dinamikoje. Šilumos praradimas išorinio branduolio viršuje skatina vėsesnius, tankesnius skysto metalo srautus grimzti žemyn; jų judėjimas atnaujina ir palaiko turbulentiškus srautus, kurie generuoja magnetinį lauką per elektromagnetinę indukciją. Ten, kur sėdi „Blobs“, jų aukštesnė temperatūra ir izoliacinis poveikis slopina šią terminę kontrakciją ir vertikalų nusileidimą (downwelling). Skystas metalas po tokiomis zonomis tampa santykinai statišku baseinu, kuris mažai prisideda prie dinamų — t. y. prie lauką generuojančių srautų. Tokios stagnuojančios sritys veikia kaip laidus ekranas — slopindamos arba pertvarkydamos magnetinį lauką, pasiekiantį paviršių, panašiai kaip metalinė tarša gali slopinti radijo signalą.
Pasekmės Žemės magnetinei istorijai ir gyvybingumui
Magnetinis laukas, kuriuo dažniausiai orientuojamės kompasais, daugeliu atvejų elgiasi panašiai kaip lazdos magnetas, išsidėstęs pagal Žemės sukimosi ašį. Tačiau laukas per geologinį laiką patyrė išsiderinimų, trumpalaikių ekskursijų ir kartais daugpolinius epizodus — laikotarpius, kai kompaso rodyklės buvo nepatikimos, o globalinis skydas akivaizdžiai susilpnėdavo. Simuliacijų rezultatai rodo, kad stabilaus terminio heterogeniškumo buvimas branduolio–mantijos sandūroje sumažina tokio žlugimo dažnį ir smarkumą. Kitais žodžiais, „Blobs“ gali veikti kaip stabilizatoriai, plečiantys dinamos parametrų sritį, kurioje išlieka stiprus, dipolinis laukas.
Tai turi rimtų pasekmių planetos tinkamumui gyventi. Ilgalaikė magnetosfera atmuša įkrautas daleles iš Saulės vėjo ir kosminės spinduliuotės, saugo atmosferą nuo lėto erozijos ir sulaiko paviršiaus gyvybę nuo padidėjusios radiacijos. Be tvirto ir ilgalaikio geodynamos veikimo Žemė galėjo nueiti Marsu ar Veneros kryptimi — prarasti magnetinį skydą ir susidurti su atmosferos išretėjimu bei žalingomis sąlygomis gyvybei. Todėl mantijos struktūros įtaka geodynamikai turi tiesioginį ryšį su planetos habitabilumu.
Metodai, modeliai ir jų ribotumai
Tyrimas apjungė paleomagnetizmą — senovinių uolienų magnetizacijos matavimus — su skaitmeniniais magnetohidrodinamikos (MHD) modeliais, vykdytais superkompiuteriuose. Paleomagnetiniai duomenų rinkiniai suteikia stebimųjų apribojimų: krypties įrašus, intensyvumo vertes ir jų geografinį išsidėstymą laike. Modeliai sprendžia susietas skysčių judėjimo, šilumos perdavimo ir elektromagnetinės indukcijos lygtis sferinėje plėvelėje, reprezentuojančioje išorinį branduolį. Keisdami viršutinio branduolio šilumos srauto modelį, mokslininkai tikrino, kurie konfigūraciniai nustatymai generuoja laukus, suderinamus su geologiniu archyvu.
Visi modeliai turi savo ribas. Mantijos reologija (medžiagos deformacijos savybės), tiksli „Blob“ sudėtis ir ilalaikis Žemės terminis vystymasis prideda reikšmingų neapibrėžtumų. Simuliacijos priverstos balansą tarp fizinio realizmo ir skaičiavimo galimybių; jos dar negali tiksliai apimti visų turbulencijos skalės elementų, egzistuojančių tikrame branduolyje. Be to, kai kurie cheminiai mainai tarp mantijos ir branduolio, pavyzdžiui, lengvesniųjų elementų migracija ar heterogeniškas plikausis sluoksnis, dar nėra pilnai integruoti į kai kuriuos modelius. Vis dėlto, nepriklausomų paleomagnetinių stebėjimų ir modelių išėjimo sutapimai sustiprina interpretaciją, kad heterogeniška mantija daro įtaką geodynamui.
Ekspertų įžvalgos
„Sujungus giliai esančią mantijos struktūrą su ilgalaikiu magnetiniu stabilumu, gauname naują būdą skaityti Žemės vidinę būklę,“ sako dr. Leila Moreno, geofizikė Oksfordo universitete. „Tai elegantiškas tiltas tarp seisminio vaizdavimo ir magnetinių paleoduomenų: dvi labai skirtingos signalų rūšys sutampa ir pasako vieną istoriją. 'Blobs' nėra vien tik keistenybės; jos, regis, yra integralios Žemės magnetinio aparato dalys.“
Dr. Moreno priduria: „Ateities pažanga ateis iš geresnio CMB (branduolio–mantijos sandūros) šilumos srauto žemėlapių ir iš patobulintų paleomagnetinių įrašų iš mažiau ištirtų regionų. Kai modeliai taps realistiškesni, galėsime išbandyti, ar 'Blobs' yra pasyvūs terminiai anomaliniai telkiniai, ar aktyvūs dalyviai mantijos–branduolio cheminiuose mainuose.“
Ateities perspektyvos: stebėjimai ir technologijos, kurie galėtų patikslinti vaizdą
Seisminės tomografijos pažanga, mineralogijos tyrimai esant itin dideliam slėgiui ir tankesnis paleomagnetinių mėginių rinkimas sugriežtins apribojimus ir suteiks naujų paminklų mūsų įtariamiems ryšiams patikrinti. Planiniai giluminės Žemės stebėjimo tinklai ir aukštos našumo kompiuterijos projektai leis vykdyti simuliacijas, kurios artės prie realių parametrų režimų. Yra erdvė tarpdisciplininiam darbui: geochemikai, seismologai ir dynamo modeliuotojai kartu gali ištirti, ar 'Blobs' yra vien tik terminiai reiškiniai, ar jose yra aiškių cheminių signalų, arba abiejų kombinacija — o kiekviena iš šių galimybių turi skirtingas pasekmes tam, kaip jos formuojasi ir sąveikauja su branduoliu.
Jeigu 'Blobs' iš tiesų prisideda prie stabilios magnetinės apsaugos, jos yra dalis planetarinės architektūros, kuri padarė Žemės paviršių tinkamą gyvybei. Šiuo metu dar negalime pasakyti, ar panašios struktūros egzistuoja kitose uolinėse planetose, arba kaip skirtingos mantijos–branduolio architektūros keičia magnetinius rezultatus, tačiau ryšys tarp lėtų, gilių mantijos procesų ir sparčių geodramos dinamikos svyravimų primena: Žemės skydas yra visos planetos kūrinys — nuo skystos geležies branduolio iki kietos plutonos.
Poreikis turėti daugiau duomenų yra aiškus. Reikės daugiau modelių, sudėtingesnių simuliacijų ir kantrybės — geologiniai procesai veikia mastais, kuriems būtina ilgalaikė perspektyva. Tuo tarpu mintis, kad ramių, lėtai judančių telkinių mantijos pamatuose vaidmuo gali būti gyvybės apsaugos paviršiuje dalis, išlieka kaip vienas iš planetos tyliai svarbių paslapčių.
Žemės magnetinio lauko stabilumo tyrimas taip pat skatina platesnį refleksiją apie tai, kaip skirtingos planetos struktūros gali sąveikauti su gyvybės išlikimu. Integruota seisminių vaizdinių analizė, paleomagnetiniai įrašai ir pažangūs geodinaminiai modeliai kartu sudaro stipresnį įrankį šiai problemai spręsti. Ilgainiui, geresnis supratimas apie mantijos heterogeniškumą, šilumos srautus ir core–mantle sąveiką gali padėti prognozuoti ilgalaikius magnetinių laukų pokyčius, kas turi ne tik akademinę, bet ir praktinę reikšmę — pavyzdžiui, kosminių misijų planavimui, palydovų apsaugai ir radiacijos rizikos vertinimui žemėje.
Galiausiai, ši tema parodo, kad net ir labai lėti, giliai žemėje vykstantys procesai gali turėti išreiškiamą poveikį gyvybei paviršiuje. 'Blobs' fenomenas sujungia seismologiją, mineralofiziką, paleomagnetizmą ir skaitmenines dinamikos metodikas — ir tai yra puikus pavyzdys, kaip tarpdisciplininiai tyrimai leidžia atskleisti planetos veikimo principus.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą