В центъра на Земята се намира голямо кълбо от метал - ядрото на планетата. Макар че е недостижимо без помощта на Жул Верн, то може да бъде изучавано и играе жизненоважна роля за света.
Тази съставена от желязо и никел вътрешност генерира магнитно поле, което защитава планетата от вредна радиация и позволява на живота да процъфтява. Как точно се е създало това магнитно поле и дали е същото и в други светове — това са въпроси, които чакат своите отговори.
Океани от желязо
Нови изследвания разкриват все повече информация за планетните ядра и магнитните полета — и се докосват до промените, които се извършват на 3000 километра под краката на хората.
Земята има твърдо вътрешно ядро с радиус около 1200 км, заобиколено от външно ядро от течно желязо, което се простира на още 2200 км. Движението на течния метал във външното ядро генерира магнитно поле.
„Опитваме се да разберем динамиката на големите океани от желязо, които се намират в планети като Земята“, казва Михаел льо Бар от Френския национален център за научни изследвания, или CNRS. „Потокът там вътре е отговорен за магнитното поле на планетите. А това магнитно поле е една от основните съставки за живот.“
Льо Бар изучава тези въпроси като част от европейски проект, получил финансиране от ЕС, за стимулиране на напредъка в тази област, включително чрез лабораторни експерименти. Наречен FLUDYCO, проектът се изпълнява от средата на 2016 г. до края на 2021 г.
В лабораториите Льо Бар и екипът му инжектират багрило в пълно с вода гумено кълбо, след което го завъртат, за да деформират сферата, като по този начин симулират приливните изкривявания в ядрото на Земята.
Те също така пукат балон, съдържащ течен метал, наречен Галинстан, във вода, за да симулират образуването на планетно ядро. И накрая, изследователите проследяват взаимодействието между вода с по-ниска и по-висока плътност, за да изучават конвекцията и турбуленцията на външно ядро.
Екипът установява, че има три начина за задвижване на циркулацията във вътрешността на течно желязно ядро.
Различни начини за различните светове
Първият е чрез метално желязо, което се завихря във външното ядро. Този процес, наричан конвекция, възниква от охлаждането и втвърдяването на планетното ядро.
Друг метод използва приливни сили, породени от гравитационното изтласкване и изтегляне на близък обект — може би подобно на магнитната луна Ганимед, която се движи в орбита около Юпитер и е наречена на троянски принц от гръцката митология.
Третият начин включва кристали от втвърдено желязо, които се образуват в течното външно ядро и задвижват циркулацията — обратното на втвърдяването, което се случва в ядрото на Земята.
„Кристали от железен лед се поръсват като снежинки към вътрешността и се сместват с течната маса“, казва за третия метод Льо Бар, директор по научно-изследователската дейност в CNRS, който е базиран в Марсилия. „Процесът е много странен.“
Това, което остава неясно, е точно кои светове възприемат кои методи, за да се образуват металните им полета, или дали за газови гиганти като Юпитер не се включват и други процеси.
„Всяка планета изглежда е различна“, казва Льо Бар. „Не знаем дали в ядрото на Ганимед се извършва конвекция или „вали сняг“.“
Европейски космически кораб, излетял през април 2023 г., който трябва да достигне Юпитер през 2031 г., ще обикаля в орбита около Ганимед и може да направи разкрития за ядрото му и вероятно да установи как светове като този генерират магнитно поле.
В нашата слънчева система Сатурн, Уран и Нептун също имат значителни магнитни полета.
Наблюдение от орбита
Друг начин за изследване на планетните ядра е да се извършват индиректни измервания.
Проект, финансиран от ЕС и наречен CoreSat, прави точно това от орбита, като използва три спътника на Европейската космическа агенция, които изучават промените в магнитното поле на Земята.
Инициативата, която трябва да приключи през август 2023 г., след пет и половина години работа, се ръководи от Крис Финлей от Националния космически институт към Техническия университет на Дания, намиращ се близо до Копенхаген.
Магнитното поле на Земята може да се засилва и отслабва, като променя структурата си, включително местоположенията на магнитните полюси, с десетки километри на година, а понякога дори обръща полярността напълно — нещо, което се случва през няколкостотин хиляди години.
Финли казва, че спътниците показват как се променя магнитното поле.
Като използват данни от спътниците, Финли и колегите му се стремят да получат по-ясна картина на магнитното поле на границата между по-долната мантия на Земята и външното ядро.
Магнитен сигнал
Голяма трудност представлява разграничаването на сигнала от магнитното поле на ядрото сред другите магнитни полета, образувани на земната повърхност и над нея.
Една от използваните техники включва наблюдение на горния слой на земната атмосфера и сиянието на полюсите и определяне на по-чист подпис на промените в магнитното поле на ядрото.
Според Финли целта е да разполагаме със системи, които могат да предвиждат как ще се променя магнитното поле през предстоящите десетилетия.
„Това представляваше предизвикателство“, казва той. „Бихме искали да направим нещо подобно на прогнозите за времето, където има модели на общата циркулация на атмосферата, и да правим прогнози.“
Изследването на промените в магнитното поле на ядрото е важно, за да разберем доколко са обитаеми Земята и други светове.
Тези промени са най-забележими в южната част на Атлантическия океан.
Подземни урагани
Край бреговете на Южна Америка магнитното поле на Земята отслабва с повече от 50 %.
Макар причината за това явление, познато като южноатлантическа аномалия, да е неизвестна, проекти като CoreSat предоставят допълнителна информация.
„Успяхме да установим повече подробности“, казва Финли. „Все още работим над това.“
Изглежда, че под аномалията — на границата между ядрото и мантията, магнитното поле е обърнато.
Това може да е признак за подобни на метеорологичното време системи във външното ядро, причинени от температурни разлики и въртенето на планетата.
„По същия начин, по който се получават циклоните и ураганите в атмосферата, се случват и нещата в земното ядро“, казва Финли. „Това организира конвекциите в обширни циркулации във външното ядро.“
При това положение завихрянето във вътрешността на Земята се извършва с много по-ниски скорости — 20 км на година в сравнение със скоростта на вятъра, която достига до 250 км в час при ураганите.
Дори с постигнатия напредък в изследванията все още има още много, което да се научи за вътрешностите на планетите, а последствията са от голямо значение.
„Днес отправяме поглед към други планети, за да търсим живот на тях“, казва Льо Бар от CNRS. „За да има живот, трябва да има магнитно поле, което да защитава планетата.“
Изследванията в тази статия са финансирани от ЕС чрез Европейския научноизследователски съвет (ЕНС).
Повече информация
Тази статия е публикувана за пръв път в Horizon, списанието за изследвания и иновации на ЕС.
