Zemský magnetismus pomalu vyhasíná

Často se hovoří o tom, že existence života na naší planetě je možná díky tepelné energii Slunce. Méně už je zjevné, jaký vliv má na pozemský život vnitřní tepelná energie planety a zemská rotace. Jsou nezbytné pro existenci magnetického pole, chránícího biosféru před pronikáním kosmických částic a částic slunečního větru. Magnetické pole tedy funguje jako ochranná vrstva, bez níž by život na Zemi nebyl možný.

Jak vzniká magnetismus?

Magnetické pole vzniká na atomové úrovni díky rotaci elektronů se záporným nábojem kolem osy elektronu a kolem jádra atomu. Tyto rotace a malý proud cirkulující v atomu vytvářejí magnetické pole. V mnohem větších měřítcích vzniká magnetické pole hvězd a planet. Například magnetické pole Slunce je generováno tzv. magnetickým dynamem (Bílek, 2009).

V případě Země je existence magnetického pole vysvětlována pomocí tzv. geodynama. Tato všeobecně přijímaná teorie předpokládá, že ve vnějším zemském jádru proudí elektricky vodivé roztavené kovové hmoty, které díky relativně rychle rotující zeměkouli generují magnetické pole. Proudění hmot je popsáno magnetohydrodynamickými rovnicemi (např. Jones, 2007).

Hnacím motorem geodynama je vnitřní jádro Země. Je tvořeno železem, v menší míře niklem a panují zde teploty srovnatelné s povrchem Slunce. Díky tomu, že vnitřním jádrem procházejí primární i sekundární zemětřesné vlny mělo by být převážně tuhého skupenství. To, že zde železo i při extrémních teplotách není roztavené, je vysvětlováno tzv. gravitační krystalizací za extrémně vysokých tlaků. Někteří vědci se domnívají, že vnitřní jádro může mít podobu jediného krystalu železa. Vnitřní jádro pomalu chladne, přičemž teplo proudí do vnějšího jádra.

Obr 1: Proces diferenciace prvků protoplanety a vnitřní struktura Země (Jelínek, 2010).|foto: Jelínek 2010

Rozhraní mezi vnitřním a vnějším jádrem je zhruba v hloubce 5 000 km pod zemským povrchem (obr. 1). Tady mají roztavené hmoty teplotu kolem 3 000° C a menší hustotu než chladnější materiál, klesající sem shora, z meších hloubek. Horké hmoty proto stoupají vzhůru a vzniká nepřetržité proudění. Je možné si ho představit jako proudění v takzvané lávové lampě, prodávané v obchodech.

Spirály uvnitř Země

Díky rotaci Země vznikají ve vnějším jádře spirály roztavené hmoty vysoké stovky kilometrů (obr. 2). Rotující sloupce roztaveného železa se chovají jako cívky elektromagnetu. Protékají jimi elektrické proudy a tím dochází ke vzniku magnetického pole. Díky rotaci Země jsou účinky jednotlivých rotujících spirálových sloupů usměrněny a výsledkem je geomagnetické pole Země s dominantním dipólovým charakterem. Na povrchu Země proto máme dva póly, jako kdyby byl uvnitř zeměkoule veliký tyčový magnet se severním a jižním pólem (obr. 3). Osa tohoto dipólu, situovaného ve středu Země, je téměř rovnoběžná s osou rotace naší planety (úklon činí 11,5°). Je tedy zřejmé, že bez vnitřního tepla a rotace naší planety by magnetické pole Země nemohlo existovat.

Obr. 2: Konfigurace proudících hmot a magnetické pole v zemském jádru (podle Bloxhama a Gubbinse, 1989).|foto: Bloxham a Gubbins 1989

Počítačový pohled do nitra Země

Američtí profesoři Gary Glatzmaier a Paul Roberts začali s počítačovými simulacemi magnetického pole Země v 90. letech a pokračují dodnes. Do počítačového modelu zadali podmínky srovnatelné se skutečnými rozměry, váhou a hustotou vnitřního a vnějšího jádra a rychlostí rotace Země. Na superpočítačích pak simulovali proudění taveniny a charakter magnetického pole Země v období dlouhém 300 tisíc let. Ukázalo se, že magnetické pole vytvořené počítačovou simulací je velmi podobné skutečnému poli Země – tzn. dominuje dipólový charakter s průměrnou intenzitou magnetického pole 45 tisíc nT a nedipólovou složkou migrující k západu (Glatzmaier a Roberts, 1997).

Jak dochází k přepólování

Obr. 3: Země jako velký magnet. Šipky znázorňují směr magnetického pole, N - severní pól zemského dipólu, S - jižní pól (Chadima 2012).|foto: Chadima 2012

Z geologického záznamu je známo, že v minulosti se severní a jižní magnetický pól poměrně často prohazovaly. Říkáme, že docházelo k přepólování zemského magnetického pole. Počítačová simulace nám teď ukazuje, jak takové přepólování probíhá.

Jak už jsme řekli, roztavené hmoty stoupají vnějším jádrem až ke hranici se zemským pláštěm, kde se ochlazují. Tím se zvětšuje hustota a hmoty opět klesají dolů, do nižších vrstev roztaveného vnějšího jádra. Při klesání mění rotace spirál svůj směr (např. ze směru hodinových ručiček na opačný) a tím dochází ke vzniku magnetického pole opačného směru, než při výstupu horkých spirálových sloupů. Opačné proudění tak často vytváří ve vnějším jádru podmínky pro přepólování magnetických pólů. Vnitřní, tuhé zemské jádro, však tyto snahy brzdí. Přepólování je tak úspěšné jen jednou za mnoho pokusů. Proto k přepólování zemského dipólu dochází v dlouhých časových intervalech. To je také pravděpodobný důvod, proč jsou přepólování zemského magnetického pole od sebe nahodile časově vzdálená. V průměru k nim dojde jednou za 250 tisíc let. Období však mohou být kratší i delší. Například od posledního přepólování uplynulo už nadprůměrných 780 tisíc let.

Během vlastního přepólování má Země několik magnetických severních a jižních pólů současně, jak ukazuje počítačová simulace (obr. 4). Celý proces přepólování trvá zhruba 1 300 let a intenzita magnetického pole během něj poklesne na desetinu původní hodnoty. Naštěstí pro život na Zemi magnetické pole nevymizí úplně a tím je stále zajištěna alespoň částečná ochrana biosféry před smrtícím zářením, pronikajícím k Zemi z vesmíru. Přepólování tedy nemělo, jak se zdá, fatální vliv na vymírání organizmů v geologické minulosti.

Obr. 4: Glatzmaierův a Robertův model geodynama. Nalevo - dnešní podoba magnetického pole, napravo situace během přepólování zemského dipólu.|foto: Wiki pedie

Magnetické anomálie

Geomagnetické pole se skládá z několika částí. Hlavní složku vytváří výše popsaný virtuální magnetický dipól. Skutečné magnetické pole Země však vykazuje ještě další komponenty nedipólové povahy. Jsou to především kontinentální anomálie, označované také jako zbytkové nedipólové pole. Známe jich celkem šest (tři kladné - asijská, antarktická a americká a tři záporné - australská, africká, islandská) - Krs (1969). Mají rozměry kolem 7 000 km, přičemž za ně podle našich současných představ odpovídá šest (nebo větší počet) paprskovitě (radiálně) uspořádaných dipólů u povrchu zemského jádra v hloubkách asi 3 000 km pod zemským povrchem (Marek, 1990).

Existují ještě regionální magnetické anomálie. ty jsou podstatně menší, velké desítky až stovky kilometrů. Vznikají v zemské kůře (v hloubkách do 70 km pod zemským povrchem) a liší se magnetizací výrazně rozdílnou od okolního geologického prostředí. Je to způsobeno hlavně anomální koncentrací minerálů obsahujících železo. Takovou anomálií je např. Kurská magnetická anomálie tvořená páskovanými železnými rudami, které se v oblasti usazovaly (sedimentovaly) kdysi dávno, když byla oblast celá zalitá mořem. Podobná je anomálie Kiruna v severním Švédsku. Na rozdíl od Kurské anomáli pochází zdejší železo z nitra Zeměkoule, odkud se dostalo s vyvřelinami a soustředilo se v minerálu magnetit. Jeho výrazného magnetismu lidé v severním Švédsku využívali při vyhledávání ložisek železných rud už od roku 1640. Stačil k tomu kompas. Pozici a velikost magnetických anomálií ukazují světové magnetické mapy. Měření geomagnetického pole se dnes provádí pomocí družic - např. v rámci programu CHAMP MF5 (Maus 2006) - viz obr. 5.

Nebezpečí pro družice

Provozovatelům družicových systémů přidělává starosti Jihoatlantická anomálie, rozkládající se mezi jižní Afrikou a jižní Amerikou. Pod tímto prostorem vykazuje magnetické pole ve vnějším jádru Země opačný směr.,Je to pravděpodobně způsobeno dominantním opačným prouděním roztavených hmot ve vnějším jádru (např. Hartmann a Pacca, 2009). Také intenzita geomagnetického pole je nad touto anomálií o třetinu menší. Znamená to, že ochranná funkce magnetosféry je nad Jihoatlantickou anomálií méně efektivní a více kosmického záření proniká do atmosféry. Z důvodu ochrany před poškozením jsou důležité přístroje družic při přeletech nad touto anomálií vypínány. Totéž platilo i pro Hubblův vesmírný teleskop. I pod severní polokoulí se ve vnějším jádru objevují menší plochy s opačnou polaritou a jejichž počet pomalu narůstá. Může to být dokladem toho, že proces přepólování zemského dipólu již započal.

Obr. 5. Magnetické anomálie z družicových dat CHAMP MF5 (Maus 2006). Největší "osten" vpravo nahoře představuje Kurskou magnetickou anomálii.|foto: Maus 2006

Magnetické variace

Magnetické pole Země nemá stálý charakter. Kromě přepólování dochází ke změnám, které nazýváme variacemi lišícími se délkou trvání. Dlouhodobá (sekulární) variace probíhá v časových intervalech od jednoho do tisíce let a má taktéž svůj původ v magnetohydrodynamickém proudění roztavených hmot ve vnějším jádru. Oblasti, ve kterých je dlouhodobá variace nejrychlejší, se nazývají ohnisky. V současnosti jich je známo na osm - čtyři kladná a čtyři záporná - s výskytem v blízkosti kontinentálních anomálií (Marek 1990). V průběhu desetiletí se ohniska mění, některá mohou mizet a nová vznikají. Systematicky se posunují k západu rychlostí 0,2° za rok. Jedním z projevů dlouhodobé variace jsou změny polohy obou magnetických pólů a tím i změny velikosti magnetické deklinace (tj. úhlu mezi magnetickým a zeměpisným severem). V průběhu 20. století urazil severní magnetický pól dráhu dlouhou 1100 km a od roku 1970 se pohyb pólu zrychlil z 9 na 41 km za rok (zdroj). V Londýně deklinace naměřená v roce 1540 činila +7,2°, pak vzrostla do roku 1580 na +11°. Do roku 1819 klesala na hodnotu -24.5° a dnes je opět kladná. Některé historické kompasy mají úhlovou stupnici trvale pootočenou o hodnotu magnetické deklinace v místě a roce výroby. Střelka kompasu pak ukazovala azimut ke geografickému severu (tj. k místu, kde povrch protíná osa rotace Země). Jako jeden z prvních zaznamenal deklinaci i Kryštof Kolumbus při své první cestě do Ameriky.

Pro úplnost je třeba zmínit krátkodobé variace magnetického pole Země v délce trvání zlomků vteřin až několika let. Jejich příčinou jsou mimozemské vlivy - hlavně změny ve sluneční aktivitě.

Zemský magnetismus jednou zanikne

Krajina Marsu z vozítka Mars Pathfinder|foto: NASA

Od vzniku Země vnitřní jádro pomalu chladne a jeho průměr se zvětšuje každý rok o 1 mm. Znamená to, že přibližně za dvě miliardy let by celé vnější jádro mohlo ztuhnout docela a konvekční proudění roztavených hmot tím pádem přestane. Geodynamo se zastaví a magnetické pole Země zanikne. Vymizení magnetického pole ale nebude okamžité. Díky objemu vnějšího jádra a jeho setrvačné schopnosti magnetické pole vymizí asi za 20 tisíc let od zastavení geodynama (Jones, 2007). V tomto 20 tisíc let dlouhém období bude Země postupně ztrácet atmosféru, kterou zničí sluneční záření. V závěru se z povrchu Země vypaří voda. Nastane obdobná situace jako na Marsu, kterému se totéž stalo mnohem dříve – o své magnetické pole přišel před téměř čtyřmi miliardami let.

Citované zdroje:
Bílek T. (2009): ON LINE
Bloxham J. a Gubbins D. (1989): The evolution of the Earth’s magnetic field. - Scientific American, 261, 30–37.
Glatzmaier G.A. a Roberts P.H. (1997): Simulating the geodynamo. - Contemporary Physics, 38(4), 269–288.
Hartmann I.,a Pacca G. (2009): Time evolution of the South Atlantic Magnetic Snímaly. - An. Acad. Bras. Ciênc., 81(2), ON LINE
Chadima M. (2012): Magnetismus Země. ON LINE
Jelínek J. (2010): ON LINE
Jones Ch. (2007): Geodynamo. - In Gubbins D. a Herrero-Bervera E. (Eds.): Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism, Encyclopedia of Earth Science Series, Springer, 287–296.
Krs M. (1969): Paleomagnwetismus. - Knih. Ústř. Úst. Geol., sv. 40, 202 s.
Marek F. (1990): Magnetometrické metody. - In Mareš S. a kol.: Úvod do užité geofyziky, SNTL, 86–172.
Maus S. (2006): Geomagnetism. ON LINE