Mūsų planetos apsauginis jėgos laukas atrodo milijardu metų senesnis už jį kuriantį mechanizmą. Tad, kas iš tiesų įmagnetino Žemę? Tai tylusis Žemės gynėjas. Be jo, nuolatinė elektringų dalelių kruša bombarduotų mūsų planetos atmosferą, keisdama jos chemiją ir trikdydama mūsų elektronikos infrastruktūrą – jei iš viso būtų ką trikdyti. Žemės kūdikystėje mūsų sargybinis galėjo apsaugoti planetą gaubiantį dujų burbulą, kad Saulės vėjas jo nenupūstų į kosmosą.
Mūsų planetos apsauginis jėgos laukas atrodo milijardu metų senesnis už jį kuriantį mechanizmą. Tad, kas iš tiesų įmagnetino Žemę?
Tai tylusis Žemės gynėjas. Be jo, nuolatinė elektringų dalelių kruša bombarduotų mūsų planetos atmosferą, keisdama jos chemiją ir trikdydama mūsų elektronikos infrastruktūrą – jei iš viso būtų ką trikdyti. Žemės kūdikystėje mūsų sargybinis galėjo apsaugoti planetą gaubiantį dujų burbulą, kad Saulės vėjas jo nenupūstų į kosmosą, ir taip sudarė sąlygas atsirasti gyvybei, o galiausiai ir protingai gyvybei.
Šis tylusis Žemės sargybinis yra magnetinis laukas, jėgos laukas, kylantis iš planetos branduolį sudarančių skystos geležies srovių. Šiuo skysčiu tekantys elektronai kuria elektros srovę, kuri savo ruožtu kuria magnetinį lauką. Branduolys yra milžiniškas, save palaikantis elektromagnetas: dinama.
©NASA Johnson Space Center
Taip bendrais bruožais buvo įsivaizduojama ne vieną dešimtmetį. Tačiau per kelis pastaruosius metus toks paaiškinimas susidūrė su problema. Daugėja įrodymų, kad dinama galėjo atsirasti tik santykiniai neseniai. Tuo pačiu metu geologiniai duomenys rodo, kad magnetinis laukas egzistavo didžiąją 4,5 mlrd metų Žemės istorijos dalį. Šis nesutapimas – senovinis magnetinis laukas be ko nors, kas galėjo jį kurti – verčia permąstyti mūsų planetos vidinį gyvenimą.
Atsiprašome Žiulio Verno, tačiau į Žemės centrą tikriausiai niekada nenukeliausime. Mūsų planetos branduolys – velnioniškai karštas, kaip Saulės paviršius, o slėgis ten kelis milijonus kartų viršija esantį jūros lygyje. Tačiau tokios kliūtys nenumaldė mūsų smalsumo ir atvėrėme langelį į jį. Seisminės bangos, kompiuterinis modeliavimas ir laboratoriniai eksperimentai, atkartojantys ekstremalias branduolio sąlygas, suteikia ganėtinai aiškų giliausių Žemės gelmių paveikslą.
Šis paveikslas rodo, kad iš pradžių mūsų planeta buvo karštas konglomeratas mažesnių uolų ir nuolaužų, sugaudytų iš ankstyvosios Saulės sistemos. Geležis, tankiausias naujagimės planetos elementas, pamažu grimzdo į centrą, kur aukšta temperatūra jį išlydė. Paskui įsijungė terminė konvekcija – tas pats procesas vyksta verdančiame puode. Vėsesnė, tankesnė geležis išoriniame branduolio sluoksnyje grimzdo, lengvesnės medžiagos kilo, ir taip sukurtas dinamos efektas.
Tada prasidėjo smulkūs nemalonumai. Kažkuriuo metu Žemė atvėso pakankamai, kad dalis išsilydžiusios branduolio geležies sukietėtų. Dėl didžiulio slėgio, branduolys pradėjo kietėti iš vidaus. Dauguma skaičiavimų nurodo, kad šis procesas prasidėjo maždaug prieš milijardą metų. Šiais laikais vidinis branduolys yra kietas, maždaug 1200 kilometrų spindulio geležies rutulys, kuris, Žemei vėstant, vis didėja. Jį supa 2000 kilometrų storio skystos geležies, susimaišiusios su šiek tiek nikelio ir įvairiais lengvesniais elementais, tokiais kaip siera ir deguonis, sluoksnis.
Laimei, šis stingimas sukėlė kitą efektą, palaikantį magnetinės dinamos veikimą. Augantis vidinis branduolys išskiria lengvesnius elementus. Tas pats vyksta, užšąlant sūriam vandeniui. Druska netelpa į ledo kristalo struktūrą ir išstumiama – lieka gėlo vandens ledas ir itin sūrus vanduo. Panašiai ir Žemės viduje, kietą vidinį branduolį sudaro praktiškai gryna geležis, apsupta išsilydžiusios geležies, kurioje priemaišų koncentracija didesnė. Priemaišos sumažina skystos geležies tankį, tad šis, arčiausiai vidinio branduolio esantis, lengvesnis lydalas kyla, o tankesnė, daugiau geležies turinti medžiaga leidžiasi. Taip dėl vadinamosios kompozicinės konvekcijos išoriniame branduolyje vyksta judėjimas.
Supurtyti, neplakti
Taigi, vienaip ar kitaip, dinama sukosi didžiąją Žemės istorijos dalį. Bet čia magnetinis pasakojimas daro staigų posūkį. Pastaruosius keletą metų tyrėjams kilo abejonių, ar pirmoji istorijos dalis, terminė konvekcija, iš viso galėjo vykti – ir, jeigu vyko, ar jos būtų pakakę magnetinio lauko formavimui. „Jei norime remtis vien termine konvekcija, tada kyla bėdos“, – sako Davidas Stevensonas iš Kalifornijos technologijos universiteto.
Bėdų kelia karščio sklidimas. Kad vyktų konvekcija, reikia skirtingos temperatūros sluoksnių: verdančio vandens puode dugnas karštesnis už viršų. Tai gali būti tik todėl, kad vanduo nelabai geras šilumos laidininkas. Laidumas greitai sulygina medžiagos temperatūrą ir konvekcija vykti negali. O Žemės branduolio medžiaga šiuo klausimu vilčių nepateisina. „Daugėja įrodymų, kad branduolio šiluminis laidumas didesnis, nei manėme, – sako Peteris Olsonas iš Johns Hopkins universiteto Baltimorėje, Marylando valstijoje. Šis rezultatas atnaujino kontroversiją, pažymi Francis Nimmo iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze. – Prieš penketą metų visi manė žinantys atsakymą.“
Debatai atsinaujino 2012 metais, kai dvi nepriklausomos grupės kompiuteriniais modeliais parodė, kad skystos geležies branduolys dvigubai laidesnis šilumai, nei manyta anksčiau. Pernai metų pradžioje Kei Hirose'o grupės iš Tokijo technologijos instituto Japonijoje tyrėjai išmatavo šiluminį laidumą geležies, veikiamos panašiu slėgiu į esantį branduolyje. Jų rezultatai sutapo su kompiuterinių modelių prognozėmis, o tai rodo, kad Žemės magnetinis laukas galėjo rastis tik sukietėjus branduoliui, kas įvyko mažiau nei prieš milijardą metų.
Tačiau taip negali būti. „Žinome, kad Žemės magnetinis laukas egzistavo gerokai anksčiau“, – sako Nimmo. Praeityje išsilydžiusių uolienų magnetiniai mineralai, paklusdami šiam laukui, išsirikiavo. Uolienoms sustingus, jose liko tada egzistavusio magnetinio lauko žymė. 2015 metais Nimmo buvo narys komandos, aptikusios tokius priešistorinius kompasus seniausiose planetos uolienose. Šie radiniai rodo, kad magnetinis laukas egzistavo prieš 4,2 mlrd metų. Tai seniau, nei pirmieji gyvybės Žemėje ženklai, kas patvirtina idėją, kad magnetinis laukas – būtina ne tik gyvybės pradžios, bet ir gyvybei tinkamos planetos atsiradimui (žr. „Kažkoks pašalinis laukas“). Dėl rezultatų vis dar ginčijamasi, bet daugėja įrodymų, kad magnetinis laukas yra bent jau 3,45 mlrd metų amžiaus. Taip atsiranda periodas, kai jokia konvekcija negalėjo palaikyti dinamos veikimo.
Tai kas tada palaikė? Stevensonas ir kiti mano atradę priežastį. Tai – kompozicinę konvekciją primenantis procesas, bet nesusijęs su vidinio branduolio kietėjimu. išoriniams skystojo branduolio sluoksniams atvėsus, geležyje ištirpę lengvesni elementai išsiskyrė. Pakilusius iš skysto branduolio, juos absorbavo mantija, iš esmės kieta Žemės dalis, sudaranti didžiąją jos dalį, o tankesnė skysta geležis pasilikdavo. Grimzdama ji sukėlė konvekciją.
Stevensonas ir Joseph O'Rourke, irgi iš CTI, teigia, kad svarbiausias lengvasis elementas šiame procese buvo magnis. Jo yra daug ir jis prastai tirpsta geležyje. Kadangi magnis toks netirpus, išoriniam branduoliui pradėjus vėsti, iš geležies jis išsiskirtų pirmasis ir prie mantijos ribos suformuotų nelyginant šerkšnas, švelniai sningantis aukštyn iš išorinio branduolio gelmių.
Bet magnio netirpumas geležyje sukelia kitą problemą: kaip jis branduolyje atsidūrė? Tam reikia karščio, sako Stevensonas. Daug karščio. Tokį karštį galėjo sukurti susidūrimas su kita kosmine uola. Saulės sistemos pradžioje tokie susidūrimai nebuvo reti – toks susidūrimas su ypatingai masyviu kūnu, manoma, išplėšė nemenką Žemės gabalą, iš kurio susiformavo Mėnulis.
Hirose siūlo kitą idėją. Vietoje magnio jis siūlo silicį. Tai dar gausesnis elementas, sako jis, tad, tikėtina, dominuotų planetos gelmėse. Jo eksperimentai taip pat rodo, kad silicio dioksidas branduolyje lengvai kristalizuojasi, ir nereikia jokių išorinių procesų. „Kol kas, silicio dioksido versija labiau tikėtina“, – sako jis. Hirose laboratorija į savo eksperimentus dar įtraukia ir magnį, siekdama geriau nustatyti jo vaidmenį.
Kai kurie tyrėjai netgi iškėlė mintį, kad dinamą suko visai ne konvekcija. Vietoje jos, skystą geležį galėjo teliuskuoti svirduliuojantis Žemės sukimasis. Arba Mėnulio gravitacija galėjo tempti branduolį panašiai, kaip dabar kelia vandenynų potvynius. „Yra grupė žmonių, šios idėjos atžvilgiu nusiteikusių entuziastingai, bet drįsčiau sakyti, kad tai veikiausiai nėra vyraujanti nuomonė“, – sako Bruce Buffet iš Kalifornijos universiteto, Berkeley.
Kol kas klausimas dar pakibęs ore. Net šiluminio laidumo skaičiavimai gali būti klaidingi. Tiesą sakant, tame pačiame mokslo žurnale pasirodė tyrimas, prieštaraujantis Hirose matavimams. „Tai greitai judanti sritis, – pastebi Nimmo. – Nemanau, kad turime visiškai patenkinantį atsakymą.“
Kad ir koks procesas pasirodys tinkamas atsakymas į šiuos klausimus, jis galės būti taikomas ir kitiems pasauliams. Jau tūkstančiai planetų atrasta už mūsų sistemos ribų, daug jų yra Žemės dydžio, ir, spėjama, panašios cheminės sudėties. O galingi temperatūrą keliantys susidūrimai irgi gali vaidinti savo vaidmenį, nes jaunose planetų sistemose susidūrimų netrūksta. Jei konvekcijos mechanizmai kuria magnetinius lauks ir kitose planetose, tada jose gali rastis ir gyvybė. „Žinoma, viskas priklauso nuo detalių“. – apsidraudžia Buffetas.
Kažkoks svetimas laukas
Nors magnetinis laukas Žemėje, panašu, radosi anksčiau už gyvybę, teiginys, kad planeta privalo turėti magnetinį lauką, kad galėtų būti gyvenama, toli gražu nėra vienareikšmis.
Ilgai manėme, kad magnetinis laukas blokuoja Saulės vėją, kuriame pilna elektringų dalelių, galinčių nuplėšti Žemės atmosferą. Bet kai kurie tyrėjai pasiūlė kone priešingą mintį. Magnetinis laukas galėjo veikti kaip didžiulė burė, sugaunanti ir sugerianti šias elektringas daleles, kurios paskui kenkia atmosferai.
Ir net jei magnetinis laukas buvo būtinas gyvybei Žemėje, ką tai reiškia? Daug mokslininkų planetą apibūdina kaip galinčią palaikyti gyvybę tik todėl, kad ji Žemės dydžio ir skrieja tinkamu atstumu nuo savo žvaigždės, kad joje galėtų egzistuoti skystas vanduo. Maga į šį reikalavimų sąrašą įtraukti ir magnetinį lauką. Bet tai perdėtas supaprastinimas.
„Planetos yra itin skirtingos, – sako Davidas Stevensonas iš Kalifornijos technologijos instituto. – Galimybės yra neįtikėtinai įvairios.“ Tai gali suteikti naujų nežemiškos gyvybės paieškų perspektyvų, bet apsunkina supratimo apie planetas redukavimą iki vos kelių parametrų. „Magnetinis laukas yra tik viena derinimo rankenėlė visoje įvairovėje“, – sako jis.“
