Žmonija jau pasiuntė zondus milijardus kilometrų į tarpžvaigždinę erdvę, tačiau savo pačios planetą vis dar pažįstame stebėtinai menkai – net iki šiol nesugebėjome prasigręžti pro palyginti ploną Žemės plutą.
Didžioji dalis žinių apie giliuosius Žemės sluoksnius gaunama iš geofizinių tyrimų, todėl kiekvienas naujas atradimas yra itin vertingas. Šiuo metu žinome, kad Žemę sudaro kieta pluta, uolinis mantijos sluoksnis, skystas išorinis branduolys ir kietas vidinis branduolys.
Vis dėlto tai, kas tiksliai vyksta kiekviename iš šių sluoksnių ir jų sandūrose, tebėra paslaptis. Nauji tyrimai, pasitelkiantys mūsų planetos magnetinį lauką, leidžia priartėti prie vienos svarbiausių Žemės gelmių ribų – branduolio ir mantijos sandūros.
Maždaug 3 000 kilometrų gylyje po mūsų kojomis plyti išorinis Žemės branduolys – neįsivaizduojamo masto skysto geležies lydinio „vandenynas“. Jis nuolat maišosi ir generuoja globalų magnetinį lauką, nusidriekiantį toli į kosmosą. Šio „geodinamo“ palaikymas ir jo kuriamas planetos „jėgos laukas“, milijardus metų saugantis Žemę nuo žalingos spinduliuotės, reikalauja milžiniškų energijos išteklių.
Didelė dalis šios energijos į branduolį pateko Žemei formuojantis – šilumos pavidalu. Tačiau ji gali būti panaudota geodinamo veiklai tik tuomet, kai šiluma iš branduolio perduodama į vėsesnę, viršuje tarsi „plūduriuojančią“ kietą uolinę mantiją.
Be šio masyvaus šilumos perdavimo iš branduolio į mantiją ir galiausiai per plutą į paviršių, Žemė būtų panašesnė į artimiausias kaimynes – Marsą ar Venerą – ir taptų magnetiškai „mirusia“ planeta.
Paslaptingieji „gumburai“
Seisminiai žemėlapiai, rodantys, kaip kinta per Žemės mantiją sklindančių seisminių bangų (akustinės energijos virpesių) greitis, ypač intriguoja pačioje žemiausioje mantijos dalyje, tiesiai virš branduolio. Juose išryškėja dvi milžiniškos sritys netoli pusiaujo – po Afrika ir Ramiojo vandenyno regionu – kuriose seisminės bangos sklinda lėčiau nei aplinkui.
Kas tiksliai lemia šių didžiulių apatinės mantijos darinių, neretai trumpai vadinamų „gumburais“, išskirtinumą, iki šiol nėra aišku. Žinoma tiek, kad jie sudaryti iš kietų uolienų, panašių į aplinkinę mantiją, tačiau gali būti aukštesnės temperatūros, kitokios cheminės sudėties arba pasižymėti abiem šiomis savybėmis.
Ryškūs temperatūros skirtumai mantijos pagrinde turėtų veikti po ja esantį skystą branduolį ir jame generuojamą magnetinį lauką. Kadangi kieta mantijos uoliena temperatūrą keičia ir „teka“ nepaprastai lėtai (vos kelis milimetrus per metus), magnetinio lauko požymiai, susiję su ilgalaikiais temperatūrų kontrastais, turėtų išlikti milijonus metų.
Nuo uolienų iki superkompiuterių
Naujas tyrimas pateikia papildomų įrodymų, kad šie „gumburai“ yra karštesni už aplinkinę apatinę mantiją. Savo ruožtu tai šimtus milijonų metų daro pastebimą įtaką Žemės magnetiniam laukui.
Magnetinio lauko istorijai tirti naudojamos magminės (vulkaninės) uolienos. Kai ką tik išsilydžiusi magma Žemės paviršiuje atvėsta ir kietėja veikiama tuo metu egzistavusio magnetinio lauko, uolienos įgyja nuolatinį magnetiškumą. Jo kryptis atspindi tuometinio magnetinio lauko kryptį konkrečioje vietoje.
Gerai žinoma, kad ši kryptis priklauso nuo platumos. Tačiau pastebėta ir tai, jog iki 250 milijonų metų amžiaus uolienose užfiksuota magnetinio lauko kryptis sistemingai kinta ir su ilguma. Šis efektas ypač ryškus žemose platumose, todėl kilo prielaida, kad už to gali slypėti būtent „gumburai“ branduolio ir mantijos sandūroje.
Lemiamu įrodymu tapo magnetinių duomenų palyginimas su geodinamo veikimo modeliavimu superkompiuteriu. Pirmiausia buvo atlikta simuliacijų serija darant prielaidą, kad šilumos srautas iš branduolio į mantiją visur vienodas.
Tokie skaičiavimai rodė arba labai silpną magnetinio lauko priklausomybę nuo ilgumos, arba tai, kad laukas pereina į nuolat chaotišką būseną. Abu scenarijai neatitiko stebėjimų.
Situacija iš esmės pasikeitė, kai modeliuose branduolio paviršiui buvo pritaikytas raštas, numatantis ryškias šilumos srauto į mantiją variacijas.
Paaiškėjo, kad jeigu laikoma, jog šilumos srautas „gumburų“ srityse yra maždaug perpus mažesnis nei kituose, vėsesniuose mantijos regionuose, tuomet modeliuose susiformuojantis magnetinis laukas įgauna aiškią išilginę (su ilguma susijusią) struktūrą. Ji labai primena senovinėse uolienose užfiksuotus duomenis.
Dar vienas svarbus rezultatas – tokie modeliuoti magnetiniai laukai buvo atsparesni „žlugimui“. Kitaip tariant, įtraukus „gumburų“ poveikį pavyko atkurti stebimą santykinai stabilų Žemės magnetinio lauko elgesį gerokai platesnėmis sąlygomis.
Kaip „gumburai“ veikia Žemės magnetinį lauką?
Panašu, kad šie du karšti „gumburai“ veikia kaip izoliatorius virš skysto metalo branduolyje: jie riboja šilumos nutekėjimą, kuris kitu atveju skatintų skysčio atšalimą, tankėjimą ir srovių grimzdimą gilyn į branduolį. Kadangi magnetinį lauką generuoja būtent skysčio judėjimas branduolyje, tokie tarsi „apstingę“ metalinio skysčio telkiniai praktiškai nedalyvauja geodinamo procese.
Be to, panašiai kaip mobilusis telefonas praranda ryšį, jeigu yra įdedamas į metalinę dėžę, taip ir šios stacionarios, laidžios skysčio sritys veikia kaip savotiški „skydai“, ekranizuojantys magnetinį lauką, kurį generuoja giliau cirkuliuojantis skystis.
Taip milžiniški „gumburai“ sukuria būdingus, su ilguma susijusius magnetinio lauko formos ir kitimo raštus, kurie atsispindi žemose platumose susidariusių uolienų magnetiniuose įrašuose.
Daugeliu laikotarpių Žemės magnetinio lauko forma yra gana artima tai, kurią sukurtų baro magnetas, orientuotas išilgai planetos sukimosi ašies. Būtent todėl kompaso rodyklė daugelyje Žemės vietų beveik visada rodo šiaurės kryptį.
Žinoma, geologinėje praeityje pasitaikė laikotarpių, kai magnetinis laukas susilpnėdavo ir įgydavo sudėtingesnę, daugiapolę struktūrą. Vis dėlto tokios „žlugimo“ būsenos buvo gana retos, o laukas dažniausiai greitai atsikurdavo. Bent jau modeliavimas rodo, kad „gumburai“ branduolio ir mantijos sandūroje padeda palaikyti būtent tokį elgesio pobūdį.
Taigi, nors dar daug ko nežinome apie tai, kas tiksliai yra šie „gumburai“ ir kaip jie atsirado, tikėtina, kad būtent jie prisideda prie stabilaus, gyvybei ir technologijoms palankaus Žemės magnetinio lauko išlikimo.
