Před necelými pěti lety byla na oběžnou dráhu Země vypuštěna trojice satelitů ESA Swarm. Úkolem družic je z výšky necelých 500 km sledovat geomagnetické pole. Na výzkumu magnetického štítu, který biosféru na Zemi chrání před smrtící kosmickou radiací a elektricky nabitými částicemi, se od počátku mise podílí dr. Jakub Velímský z katedry geofyziky MFF UK.
Co by se stalo, pokud by Zemi přestalo chránit magnetické pole?
Geomagnetické pole odklání elektricky nabité částice ze slunečního větru a kosmického záření, které by jinak postupně narušily svrchní vrstvy atmosféry. Pro život na Zemi je důležitá především ozónová vrstva, která nás chrání před škodlivým ultrafialovým zářením. Bez magnetického pole by sluneční vítr, obrazně řečeno, odfoukl naši planetární atmosféru. Přibližně před čtyřmi miliardami let se něco podobného stalo Marsu. Atmosférický tlak na jeho povrchu je teď více než stokrát menší než na Zemi.
Co vědce láká na studiu geomagnetického pole především?
Albert Einstein označil na počátku 20. století otázku původu geomagnetického pole za jedno z největších mystérií moderní fyziky. Základní principy se za necelých sto let podařilo s využitím klasické fyziky vyřešit. Geomagnetické pole je však také zároveň jednou z mála měřitelných fyzikálních veličin, které můžeme použít ke studiu nepřístupného zemského nitra. Především tím je pro nás geomagnetické pole zajímavé.
Mě osobně také do jisté míry láká, že při jeho studiu můžeme kombinovat různé matematicko-fyzikální metody. Nejen klasickou fyziku, ale třeba také poznatky z teorie diferenciálních rovnic nebo statistiku. Zajímavé je i samotné získávání dat pomocí dlouhodobých měření na geomagnetických observatořích a satelitech.
Dr. Jakub Velímský a dr. Ľubica Valentová z katedry geofyziky MFF UK, kteří se věnují
výzkumu zemského magnetického pole (foto: Svoboda)
Jak geomagnetické pole vzniká?
Geomagnetické pole existuje nejméně 3,5 miliardy let a vzniká poměrně složitým dynamickým procesem magnetokonvekce ve vnějším jádře Země. Kapalné a elektricky dobře vodivé železo se pohybuje v magnetickém poli, unáší a stáčí jeho siločáry, a dokáže tak pole zesilovat – tedy přeměnit kinetickou energii svého pohybu na energii magnetického pole. Namrzáním (při teplotě cca 5700 K a tlaku 330 GPa!) železa na povrchu vnitřního jádra dochází k uvolňování latentního tepla a ke gravitační diferenciaci lehčích prvků, které mají tendenci stoupat vzhůru. Motorem celého konvekčního procesu je hlavně vztlaková síla, ale výrazně do něj zasahuje i Coriolisova síla. Proudění v jádře, a tedy i geomagnetické pole, se v čase mění, přičemž dvě nejstabilnější konfigurace odpovídají přibližně dipólovému charakteru pole s osou dipólu orientovanou paralelně, nebo anti-paralelně s osou rotace.
Mise Swarm potvrdila, že geomagnetické pole slábne. Hovoří se o 15% zeslabení za poslední dvě století. Někteří vědci to dávají do souvislosti s možným blížícím se přepólováním Země…
Přesná příčina přepólování geomagnetického pole zatím známá není. Může jít o důsledek chaotického proudění v jádře, ale stejně tak mohou za přepólováním stát vnější vlivy, například dosednutí subdukující litosférické desky v zemském plášti až na povrch jádra a následná změna tepelného toku z jádra do pláště.
Během přepólování se u geomagnetického pole mění prostorová geometrie. Oslabí se dipólová složka, prostorová struktura pole se stane členitější, s mnoha póly, až se zase dipól objeví v opačné orientaci. Nebo také ne, může se vrátit i do původní orientace, pak hovoříme o tzv. geomagnetické exkurzi. Celý proces typicky trvá jednotky tisíc let, ale může být i rychlejší, až k měřítku jediné lidské generace. Naposled k přepólování došlo během poslední doby ledové před 41 000 lety.
Má už teď slábnutí magnetického pole na naší planetě nějaké konkrétní projevy?
Zatím nejvýraznějším projevem je tzv. jihoatlantická anomálie, což je oblast zeslabeného magnetického pole, která se pomalu posunuje nad jihoamerický kontinent. V této oblasti už zesílená radiace způsobila poruchy nebo také ztrátu komunikačních a dalších družic.
Jaké důsledky může mít tento trend do budoucna?
Vliv na biosféru není zcela jasný. Podobně se zatím nenašla ani spojitost mezi přepólováním geomagnetického pole a hromadným vymíráním, ke kterému v historii Země několikrát došlo. I během přepólování a poklesu intenzity magnetického pole nás chrání svrchní vrstvy atmosféry. S čím je však do budoucna nutné počítat, je ohrožení orbitálních technologií. To bude narůstat postupně a bude třeba hledat řešení, jak přístroje před kosmickým zářením ochránit.
Satelity Swarm se pohybují na nízkých oběžných drahách Země s periodou přibližně 96 minut (ilustrace: ESA)
Jaká další důležitá zjištění mise Swarm za necelých pět let ještě přinesla?
Zmínil bych tři. Podle mého jeden z nejzajímavějších výsledků přinesli kolegové z britského Leedsu a dánské Kodaně. Využili detailní model magnetického pole z mise Swarm k rekonstrukci zrychlujícího se západního proudění. V jádře okolo 70° severní šířky v oblasti od severní Kanady až ke Karskému moři byl lokalizován jakýsi výstřik tekutého železa. Rekonstrukce této proudové struktury je důležitým předpokladem pro vysvětlení procesů, které se v jádře odehrávají.
Krásným příkladem synergie moderní satelitní mise a amatérské vědy je světelný jev, který dostal pojmenování Steve. Jde o mihotavá fialová noční světla, kterých si na obloze jako první všimli náruživí fotografové polárních září. Až později byla nalezena v měřeních elektronové teploty na satelitech mise Swarm. Tento jev byl zatím částečně vysvětlen jako projev driftu iontů v subaurorálních oblastech.
A konečně, kolegům z Kodaně a Curychu se také podařilo extrahovat ze satelitních dat nepatrný signál odpovídající slapově buzenému proudění v zemských oceánech . Pohyb mořské vody v geomagnetickém poli totiž opět generuje další magnetické pole, jedná se vlastně o druhé dynamo. Tyto signály se projevují na periodách spojených se slapovým působením Slunce a Měsíce, a dokonce byly využity ke studiu elektrické vodivosti v nejsvrchnějších partiích pláště.
Váš tým pro ESA vyvinul program na výpočet trojrozměrného vodivostního modelu zemského pláště. Jak zemský plášť s magnetickým polem souvisí? Co jeho prostřednictvím studujete?
Zemský plášť je tvořen převážně silikáty, jejichž elektrická vodivost je sice výrazně menší než vodivost jádra, přesto však není zanedbatelná. Jedním z důsledků je tak například částečné odstínění magnetického pole z jádra.
Nás ale především zajímá, jak plášť elektromagneticky reaguje na krátkodobé časové změny vnějšího magnetického pole, které jsou způsobeny interakcí nabitých částic v magnetosféře, nebo periodickým zahříváním ionosféry na denní straně. Tato elektromagnetická odezva na časových škálách hodin až měsíců nám umožňuje rekonstruovat rozložení elektrické vodivosti v plášti v hloubkách cca 400 ‒ 1600 km.
Geofyzika má jen málo možností, jak nepřímo studovat vlastnosti hlubokých partií Země. Studium seismických vln nám dnes již dokáže poskytnout velmi detailní trojrozměrný obraz pláště, ovšem právě ve smyslu rychlosti šíření těchto vln. Interpretace takových obrazů směrem k rozložení teploty nebo chemickému a mineralogickému složení pláště je komplikovaná a nejednoznačná. Trojrozměrná mapa elektrické vodivosti by tuto nejednoznačnost mohla pomoci odstranit. Přiblížím to analogií z medicíny: lékař, který si není jistý interpretací rentgenového snímku, si může vyžádat ještě sonograf.
Facebooková stránka katedry geofyziky: https://www.facebook.com/Katedra.Geofyziky.MFF.UK