Žemės magnetinio lauko prigimties paslaptis

[Andrej S]

Žemė - planeta turinti globalų magnetinį lauką. Ne visos planetos pasižymi šia savybe (Saulės sistemos ribose dauguma nepasižymi). Jo buvimas, būtina savybė sudėtingai gyvybei egzistuoti. Stiprus magnetinis laukas apsaugo Žemės atmosferą nuo saulės vėjo erozijos. Žemės magnetinio lauko prigimtis yra siejama su Fe-Ni išorinio skystojo branduolio konvekcijos sukelto krūvininkų judėjimo. Paleomagnetinių tyrimų duomenys rodo kad Žemė turi magnetinį lauką jau daugiau nei 3 mlrd. metų. Taip pat geologiniame metraštyje yra užfiksuota kad vidutiniškai kas 200 tūkst. metų įvyksta sudėtingos Žemės magnetinių polių inversijos (šiaurės polis tampa pietiniu, pietinis - šiauriniu), kurių trukmė yra mažesnė nei 1 tūkst. metų. Visa tai nurodo kad Žemės magnetinis laukas yra dinamiškas.
Į klausymą - kaip atsiranda geomagnetinis laukas?, leido atsakyti (bent jau dalinai) procesų imitacijos pasitelkiant superkompiuterius. Tai įmanoma tapo tiktai prieš kokius 10 metų. Tačiau, specialistų nuomone iki imitacijų su tikroviškais parametrais yra dar labai toli, nes šiuolaikinių kompiuterių galia yra toli gražu nepakankama. Tai priklauso nuo to kad imitacijose atsiranda sunkumai, dėl ekstremalių Žemės branduolio fizikinių sąlygų, kurios yra aprašomos labai didelėmis arba labai mažom bedimensių parametrų reikšmėmis. E - Ekmano skaičius (santykis tarp aplinkos klampumo ir Koriolio jėgos), vienas iš tokių parametrų ir jis naudojamas kaip matas parodantis modelio ir realios sistemos parametrų artumą. Pirmųjų imitacijų E parametro reikšmė buvo 10^(-15) eilės, pačių paskutinių imitacijų tikslumas kur kas padidėjo ir E siekia 10^(-6) eilę. Žemės magnetinio lauko skaitmeninis modelis buvo realizuotas naudojant viena iš galingiausių dabartinių superkompiuterių Žemės Simuliatorių Japonijoje. Kaip parodė simuliacijos rezultatai, aukštesnės raiškos modelis kaip konvekcijos pobūdžiu, taip ir magnetinių struktūrų atžvilgiu stipriai skiriasi nuo modeliu su mažesne raiška. Tai reiškia kad suapvalinimai ir grubios realiu procesų aproksimacijos gali privesti prie klaidingu rezultatų. Nauji skaitmeniniai eksperimentiniai duomenys rodo kad konvekciniai srautai Žemės branduolyje yra radialiniai arba skydo formos o ne stulpo pavidalo gardelių. Pagal savo forma jie yra beveik dvimačiai, išeina tarsi lakštai nuo cilindro, kurio ašis atitiktu žemės sukimosi aši [Konvekcija_brand.JPG (image/jpeg) 52K]. Tokia jų forma gali būti paaiškinta dideliu Koriolio jėgos poveikiu, veikiant išcentrinei jėgai. Srovės išsidėsto palei pliumus ir yra spiralinės formos ir koncentruojasi vidutinėse platumuose abiejuose pusrutuliuose [Sroviu_spiraline_struktura.JPG (image/jpeg) 87K]. Magnetinio lauko linijos išsidėsto konvekcinių srovių kryptimis, kaip ir matoma pateiktoje schemoje [Magnetinis_laukas.JPG (image/jpeg) 105K]. Būtent tokia konvekcijos strūktūra ir nulemia kryptingą globalų geomagnetinį lauką. Bet kokia kita magnetinio lauko kryptis būtu nestabili. Kiti tyrimai rodo kaip gali įvykti magnetinių polių inversija, kuri yra nulemta pasikeitimų išorinio branduolio konvekcijoje, kaip pvz. Gary Glatzmaier tyriamai.
Žemės magnetinės savybės buvo pastebėtos labai senai (dar Senovės Kinijoje), tačiau prie lauko prigimties išaisškinimo priartėjama tiktai dabar.

Nuorodos:
Akira Kageyama, Takehiro Miyagoshi, Tetsuya Sato "Formation of current coils in geodynamo simulations" - Žemės magnetinio lauko imitacijos atliktos su "Žemės Simuliatoriumi", straipsnis paskelbtas "Nature" žurnale.
The Geodynamo - Gary A Glatzmaier iš Kalifornijos Santa Kruzo universite tinklapis skirtas žemės magnetinio lauko tyrimams.

--
AS