Геология

Исследователи обнаружили небольшие магнитные волны в ядре Земли


Магнитное поле Земли создается благодаря эффекту динамо из-за конвективных движений во внешнем ядре Земли, которое на 90% состоит из жидкого железа. Эти движения хаотичны, что объясняет, почему магнитное поле меняется со временем. Команда из Университета Гренобль-Альпы уже 20 лет наблюдает за этими изменениями со спутника: исследователи выявили небольшие межгодовые магнитные волны во внешнем ядре, которые могут пролить свет на механизмы, управляющие геодинамо.

Внешнее ядро ​​работает как самоподдерживающаяся динамо: магнитное поле является источником электрических токов, которые сами генерируют магнитное поле. Последний производится индукцией из-за быстрого движения жидких сплавов железа и никеля (которые следуют градиентам концентрации и температуры от центра к внешнему слою). Эти движения далее отклоняются силой Кориолиса, присущей вращению Земли. Предыдущие исследования показали наличие альфвеновских торсионных волн в ядре Земли, но их самих по себе недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые вариации магнитного сигнала.

Николя Жиллет и его коллеги из Института наук о Земле в Гренобле более 20 лет (с 1999 по 2021 год) наблюдали за эволюцией магнитного поля Земли, используя наблюдения со спутников на низкой околоземной орбите, дополненные наземными записями и компьютерным моделированием. Они обнаружили, что магнитное поле вокруг экваториальной области ядра регулярно колеблется. "Захватывает то, что, регистрируя магнитное поле Земли с помощью спутников, мы можем получить изображение того, что происходит на глубине более 3 000 метров под нами", — сказал Жиллет в интервью New Scientist.

Магнитное поле Земли действительно демонстрирует изменения в широком диапазоне временных масштабов - от нескольких лет до сотен миллионов лет. Благодаря спутниковым наблюдениям и все более сложным симуляциям наше понимание геодинамо в последние годы значительно расширилось. Важно понимать динамику ядра, так как оно влияет на продолжительность светового дня, а создаваемое им магнитное поле защищает нас от солнечного ветра. Последние два десятилетия мониторинг был направлен на лучшее понимание быстрых физических процессов, происходящих во внешнем ядре.

Ранее обнаруженные осесимметричные альфвеновские торсионные волны имеют период около шести лет и позволили оценить среднюю напряженность магнитного поля в ядре Земли (около 5 мТл). Но основная часть колебаний, как оказалось, исходила от неосесимметричных движений, происхождение которых было неизвестно - предыдущие исследования обычно фокусировались на сигнатурах магнитных волн в масштабе нескольких сотен лет.

Благодаря наблюдениям, проводившимся в течение 20 лет, Жиллет и его коллеги выявили новые неосесимметричные волновые картины в экваториальной области поверхности ядра. "Эти волновые особенности имеют большие пространственные масштабы, межгодовые периоды, близкие к 7 годам, амплитуды до 3 км/год и когерентный западный дрейф с фазовыми скоростями около 1500 км/год", - пишут исследователи в журнале PNAS. По их мнению, эти пульсации соответствуют сигнатуре собственных мод магнито-кориолисовых волн - магнитогидродинамических волн с вековой периодичностью.

"Важно знать, что магнитное поле в ядре эволюционирует на очень длинных временных шкалах. И то, что мы наблюдаем, — это лишь мелкая рябь на вершине", — объясняет Жиллет.

Торсионные волны состоят из дифференциального вращения между "геострофическими" цилиндрами, соосными с осью вращения Земли, пропитанными магнитным полем. Из-за их геострофической природы сила Кориолиса не входит в баланс сил, управляющих этими движениями; расчет периода торсионных волн не зависит от скорости вращения Земли.

Для более общих неосесимметричных потоков (класс, к которому принадлежат магнито-кориолисовы волны), напротив, динамика является квазиинвариантной в направлении, параллельном оси вращения, или квазигеострофической. "Мы отдаем предпочтение альтернативной интерпретации, в которой ускорение Кориолиса в балансе импульса. При тех масштабах длины и времени, которые доступны сегодня, важность силы Кориолиса неизбежна вблизи экватора", — отмечают авторы исследования.

До сих пор изменения в магнитном поле можно было объяснить наличием тонкого слоя породы между внешним ядром и нижней мантией; эта гипотеза долгое время обсуждалась, но результаты нового исследования исключают такую возможность, по словам Жиллета. "Это исследование - захватывающий прогресс в нашем понимании того, как работает магнитное поле Земли на временных масштабах менее десятилетия", — говорит Крис Финлей, геомагнитный эксперт из Технического университета Дании, который не принимал участия в исследовании.

Используя эти недавно открытые волны, исследователи полагают, что можно получить полное изображение геомагнитного поля в глубине ядра (поскольку волны несут информацию о свойствах среды, через которую они проходят) - и таким образом предсказать, как оно будет развиваться.

Подпишитесь на нас: Яндекс.Новости / Вконтакте / Telegram
Back to top button