Геомагнитное поле — ключ к пониманию процессов в недрах Земли
При изучении геофизических процессов учёные имеют дело с несколькими физическими полями: гравитационным, тепловым и магнитным. Гравитационное поле создаётся породами, слагающими Землю. Тепловое поле, или другими словами ― распределение температуры и тепловых потоков, связано с остыванием планеты начиная с момента её образования. Для наблюдателя на поверхности Земли оба поля складываются из множества источников, распределённых по всему объёму планеты. И только магнитное поле, генерируемое на глубине 2900 км, проникает на поверхность Земли практически в неискажённом виде.
Изучая магнитное поле, удаётся заглянуть в очень далёкие от нас области планеты. Более того, информация о древнем геомагнитном поле позволяет составить представление об эволюции планеты в целом. Наука, занимающаяся историей геомагнитного поля, палеомагнетизм, предоставляет нам временны́е записи магнитного поля на протяжении 4,2 млрд лет, что сравнимо с возрастом Земли — 4,5 млрд лет. За последние десятилетия теория динамо, объясняющая существование магнитного поля во многих астрофизических объектах, превратилась в серьёзную область геофизики и тесно связана со многими другими направлениями исследований: строением Земли, теорией её образования, магнитной гидродинамикой, вычислительной математикой, развитием суперкомпьютеров. Ниже мы коснёмся всех перечисленных направлений и их роли в исследовании магнитного поля Земли.
Рождение Земли
Четыре с половиной миллиарда лет назад Земля представляла собой собрание холодных метеоритов, удерживаемых между собой гравитационными силами. Под действием тепла, выделяемого при ударах больших метеоритов, а также при распаде радиоактивных изотопов, Земля разогрелась в течение 50—100 млн лет, что привело к разделению вещества планеты на лёгкие силикаты, составившие верхний слой, мантию и металлическое ядро в центре планеты.
Физические свойства мантии и ядра сильно отличаются: мантию можно считать диэлектриком, а ядро, состоящее в основном из железа, — хорошим проводником. И в мантии, и в ядре существует конвекция, но её характерные времена сильно отличаются: в мантии в настоящее время это 1—100 млн лет, а в ядре — от дней до тысяч лет, поскольку вязкость ядра существенно меньше вязкости мантии.
Период быстрого разогрева планеты сменился длительным процессом остывания, продолжающимся по сей день. Остывание происходит за счёт потока тепла в окружающее Землю космическое пространство. Его величину можно измерить по увеличению температуры геологических пород с глубиной. В настоящее время мантия сверху покрыта твёрдой оболочкой, литосферой, представляющей собой тепловой пограничный слой, то есть слой, в котором физические свойства пород и их температура меняются быстро с глубиной. По оценкам, начальная температура в центре ядра была порядка 6000°C. В некоторый момент времени в прошлом, когда точно — неизвестно, в центре Земли произошло зарождение твёрдого металлического ядра. Переход от жидкого состояния к твёрдому связан с увеличением давления с глубиной. Этот переход происходит несмотря на то, что в центре Земли температура остаётся максимальной на протяжении всего процесса остывания. С момента возникновения твёрдое ядро росло, и по сейсмологическим наблюдениям его современный радиус — 1280 км. По многим свойствам твёрдое ядро близко к жидкому, различия ряда параметров, включая плотность и коэффициенты диффузии, составляют около 10 процентов.
Если в жидком ядре конвекция поддерживалась перепадом температуры по его радиусу, то с момента зарождения твёрдого ядра появился новый, дополнительный механизм конвекции. На границе твёрдого ядра во время его роста происходит кристаллизация металла, сопровождаемая выделением теплоты и отделением лёгкой силикатной примеси, поднимающейся затем на поверхность жидкого ядра. В результате в ядре происходит перераспределение масс и изменение их гравитационной энергии, что приводит к возникновению конвекции, получившей название композиционной. По некоторым оценкам она оказывается в три раза более эффективной, чем тепловая конвекция.
Конвекция внутри ядра
Существование жидкого и твёрдого ядер Земли — экспериментально подтверждённый сейсмологами факт. Зная давление, температуру и минералогический состав Земли, можно выяснить, каковы основные физические свойства вещества в зависимости от глубины. Немаловажную роль в этих исследованиях играет изучение свойств веществ при высоких давлениях. Для этого используются два подхода: натурные физические эксперименты во взрывных камерах и численное компьютерное моделирование свойств веществ, основанное на квантовой химии. Оба направления дают близкие оценки для плотности, теплопроводности, вязкости и электрической проводимости вещества ядра. По этим данным удалось выяснить, какие именно физические силы важны в ядре, а какими можно пренебречь. Оказывается, что, с точки зрения баланса сил, ядро Земли — уникально, поскольку сравнительно быстрое суточное вращение в нём приводит к очень необычным последствиям.
В настоящее время область конвекции — жидкое ядро Земли — можно схематично представить в виде слоя, ограниченного сверху мантией, а снизу твёрдым ядром, радиус которого составляет 0,35 от радиуса всего ядра (см. рис.). При достаточном значении разности температур между границами в жидком ядре возникает тепловая конвекция. В основном объёме ядра (вдали от границ) наблюдается баланс трёх сил: архимедовой силы, силы Кориолиса, возникающей из-за вращения Земли, и магнитной силы, вызванной действием магнитного поля на течения расплавленного металла. Архимедова сила направлена по радиусу к центру Земли. Сила Кориолиса перпендикулярна оси суточного вращения планеты (Z на рисунке) и скорости течения вещества в данной точке. Распределение магнитной силы имеет более сложный вид, но, как правило, её роль сводится к уменьшению кинетической энергии потоков, их торможению. Дополнительно на границах ядра возникают вязкие силы (внутреннее трение между движущимися с разной скоростью слоями вещества), приводящие к большим скачкам скорости в тонких пограничных слоях.
