Žmonija jau pasiuntė zondus milijardus kilometrų į tarpžvaigždinę erdvę, tačiau savo pačios planetą esame pažinę labai menkai – net nesugebėjome prasigręžti per ploną Žemės plutą.
Didžioji dalis informacijos apie giliuosius Žemės gelmių sluoksnius gaunama iš geofizikos tyrimų ir yra itin vertinga. Šiuo metu žinome, kad Žemė sudaryta iš kietos plutos, uolinio mantijos sluoksnio, skysto išorinio branduolio ir kieto vidinio branduolio.
Tačiau tai, kas tiksliai vyksta kiekviename iš šių sluoksnių ir tarp jų, vis dar yra paslaptis. Nauji tyrimai, pasitelkdami mūsų planetos magnetinį lauką, leidžia geriau pažvelgti į svarbiausią Žemės gelmių ribą – branduolio ir mantijos sandūrą.
Maždaug 3 000 kilometrų gylyje po mūsų kojomis tyvuliuoja išorinis Žemės branduolys – neįsivaizduojamo gylio skysto geležies lydinio „vandenynas“, kuris nuolat maišosi ir generuoja globalų magnetinį lauką, nusidriekiantį toli į kosmosą. Šio „geodinamo“ palaikymas ir jo kuriamas planetos „jėgos laukas“, jau milijardus metų saugantis Žemę nuo žalingos spinduliuotės, reikalauja milžiniško energijos kiekio.
Ši energija į branduolį pateko Žemės formavimosi metu šilumos pavidalu. Tačiau ji gali būti panaudota geodinamo veikimui tik tada, kai šiluma iš branduolio perduodama į vėsesnę, viršuje „plūduriuojančią“ kietą uolinę mantiją.
Be šio masyvaus vidinio šilumos perdavimo iš branduolio į mantiją ir galiausiai per plutą į paviršių, Žemė būtų panaši į artimiausias kaimynes – Marsą ar Venerą – ir būtų magnetiškai „mirus“ planeta.
Paslaptingieji „Gumburai“
Seismikos žemėlapiai, rodantys, kaip kinta per Žemės mantiją sklindančių seisminių bangų (akustinės energijos virpesių) greitis, ypač įdomūs pačioje žemiausioje mantijos dalyje, tiesiai virš branduolio. Juose matomos dvi milžiniškos sritys netoli pusiaujo – po Afrika ir Ramiojo vandenyno regionu, kuriose seisminės bangos sklinda lėčiau nei kitur.
Kas tiksliai daro šiuos didžiulius apatinės mantijos pamatinius darinius, trumpai vadinamus „gumburais“ (angl. Blobs), ypatingus – iki šiol nėra aišku. Žinoma tik tiek, kad jie sudaryti iš kietų uolienų, panašių į aplinkinę mantiją, tačiau gali būti aukštesnės temperatūros, kitokios cheminės sudėties arba pasižymėti abiem šiomis savybėmis.
Stiprūs temperatūros skirtumai mantijos pagrinde turėtų veikti po ja esantį skystą branduolį ir ten generuojamą magnetinį lauką. Kadangi kieta mantijos uoliena keičia temperatūrą ir „teka“ nepaprastai lėtai (vos kelis milimetrus per metus), bet kokie magnetinio lauko požymiai, susiję su ilgalaikiais temperatūrų kontrastais, turėtų išlikti milijonus metų.
Nuo uolienų iki superkompiuterių
Naujas tyrimas pateikia naujų įrodymų, kad šie gumburai yra karštesni už aplink esančią apatinę mantiją. Tai, savo ruožtu, jau šimtus milijonų metų daro pastebimą įtaką Žemės magnetiniam laukui.
Magnetinio lauko istorijai tirti naudojamos magminės (vulkaninės) uolienos. Kai ką tik išsilydžiusi ir vėliau atvėsusi magma Žemės paviršiuje kietėja esant tuometiniam Žemės magnetiniam laukui, uolienos įgauna nuolatinį magnetiškumą, kurio kryptis atspindi to meto magnetinio lauko kryptį konkrečioje vietoje.
Gerai žinoma, kad ši kryptis priklauso nuo platumos. Tačiau pastebėta, kad iki 250 milijonų metų amžiaus uolienose užfiksuota magnetinio lauko kryptis taip pat sistemingai kinta ir su ilguma. Šis poveikis ypač ryškus žemose platumose. Tai paskatino manyti, kad už to gali slypėti būtent gumburai prie branduolio ir mantijos ribos.
Lemiamu įrodymu tapo šių magnetinių duomenų palyginimas su geodinamo veikimo modeliavimu, atliktu superkompiuteriu. Pirmiausia buvo atlikta simuliacijų serija darant prielaidą, kad šilumos srautas iš branduolio į mantiją visur vienodas.
Tokios simuliacijos rodė arba labai menkas magnetinio lauko priklausomybes nuo ilgumos, arba tai, kad laukas žlunga į nuolat chaotišką būseną – abu variantai nesutampa su stebėjimais.
Kai modeliuose į branduolio paviršių buvo „uždėtas“ raštas, kuriame numatytos ryškios šilumos srauto į mantiją variacijos, magnetinio lauko elgsena kardinaliai pasikeitė.
Paaiškėjo, kad jei daroma prielaida, jog šilumos srautas į gumburų sritis yra maždaug perpus mažesnis nei į kitus, vėsesnius mantijos regionus, tuomet modeliuose susidarantis magnetinis laukas įgauna išilginę (su ilguma susijusią) struktūrą, labai primenančią senovinėse uolienose užfiksuotus duomenis.
Dar vienas svarbus rezultatas – tokie modeliuoti magnetiniai laukai buvo atsparesni žlugimui. Tai reiškia, kad įtraukus gumburus pavyko atkurti stebimą santykinai stabilų Žemės magnetinio lauko elgesį gerokai platesnėmis sąlygomis.
Kaip gumburai veikia Žemės magnetinį lauką?
Atrodo, kad šie du karšti gumburai veikia kaip izoliatorius virš skysto metalo branduolyje – jie riboja šilumos nutekėjimą, kuris kitu atveju sukeltų skysčio atšalimą, sutankėjimą ir srovių leitimąsi gilyn į branduolį. Būtent skysčio judėjimas branduolyje generuoja magnetinį lauką, tad šie tarsi „sustingę“ metalinio skysčio telkiniai praktiškai nedalyvauja geodinamo procese.
Be to, kaip mobilusis telefonas netenka ryšio, jei įdedamas į metalinę dėžę, taip ir šios stacionarios, laidžios skysčio sritys veikia kaip savotiški „skydai“, ekranizuojantys žemiau cirkuliuojančio skysčio generuojamą magnetinį lauką.
Milžiniški gumburai taip sukuria būdingus, su ilguma susijusius magnetinio lauko formos ir kitimo raštus, kurie atspindimi žemose platumose susidariusių uolienų magnetiniuose įrašuose.
Daugeliu laikotarpių Žemės magnetinio lauko forma gana panaši į tą, kurią sukurtų baro magnetas, išsidėstęs išilgai planetos sukimosi ašies. Būtent tai ir leidžia kompaso rodyklei daugelyje Žemės vietų beveik visuomet rodyti šiaurės kryptį.
Žinoma, geologinėje praeityje pasitaikė laikotarpių, kai magnetinis laukas susilpnėdavo ir įgydavo sudėtingesnę, daugiapolę struktūrą, tačiau tokios „žlugimo“ būsenos buvo gana retos, o laukas paprastai greitai atsikurdavo. Bent jau modeliavimuose matyti, kad gumburai prie branduolio ir mantijos ribos padeda išlaikyti būtent tokį elgesio pobūdį.
Taigi, nors dar daug ko nežinome apie tai, kas yra šie gumburai ir kaip jie atsirado, tikėtina, kad būtent jie padeda palaikyti stabilų, gyvybei ir technologijoms palankų Žemės magnetinį lauką. Galbūt už tai jiems turėtume būti labai dėkingi.
